Наша планета и наше общество находятся в процессе непрекращающегося развития, а это требует от нас – людей – своевременно приспосабливаться к изменениям в окружающей среде и условиях жизни. Любые перемены ведут к возникновению новых потребностей в мировом масштабе или в отдельных регионах и использованию новейших технологий для их удовлетворения. Часто оказывается, то, что недавно считалось современным, мгновенно становится устаревшим. Производители должны обладать определенным чутьем на появление новых тенденций, чтобы во время усовершенствовать свою продукцию. Это относится и к трансформаторам, которые, казалось бы, уже не нужно подвергать каким-либо изменениям.

Одно из самых значительных событий за последние несколько десятилетий на планете Земля связано с бурным ростом населения. С 1950 по 2010 оно выросло на 2,7 млрд. человек, а к концу 2011 составило более семи млрд. Более того, ожидается, что рост населения продолжится еще в течение нескольких десятилетий и пойдет на убыль только после 2050 года, к тому времени общее количество людей увеличится еще на 35% и составит 9,2 млрд. человек. Спрос на электроэнергию растет пропорционально росту населения.

Растущая потребность в электроэнергии и электричестве

Кроме увеличения численности население возрастающий спрос на электроэнергию обусловлен становлением развивающихся стран: так, рост ВВП на 1% требует увеличения потребления энергии на 0,6% в среднем. Совокупные расходы на электроэнергию составляют около 7-8 % от общемирового ВВП и представляют собою значительные издержки. Все эти факторы заставляют задуматься об организации высокоэффективных процессов производства и поставки электроэнергии. К тому же, проводя расчеты, важно оценить весь производственный цикл и включить расходы, связанные с энергопотерями и стоимостью оборудования.

Из всей энергии, потребляемой в мире, только 15% приходится на электроэнергию, хотя для производства этого количества расходуется 38% первичных энергоресурсов. В настоящее время электричество может быть использовано во всех сферах деятельности, так как представляет собой высококачественную форму энергии. К тому же оно не загрязняет окружающую среду. Все это предопределяет рост потребности в электричестве в будущем и его все упрочняющуюся роль на энергетическом рынке. Показательными примерами являются замена нефтяного или газового центрального отопления на электротепловые насосы или внедрение электромобилей.

И хотя суммарный КПД растет, что приводит к сокращению потребления первоначальных энергоресурсов, спрос на саму электроэнергию повышается. В то время как в развитых странах на одного человека в среднем приходится около одного 1 кВт, общемировое потребление составляет только 0,3 кВт. Такая статистика указывает на дальнейший значительный рост потребности в электричестве в развивающихся странах, а значит, и увеличение спроса на оборудование, обеспечивающее высокоэффективную передачу и распределение электроэнергии.

Существует один значительный фактор, определяющий рост потребности в электричестве в мировом масштабе, - это его необходимость для функционирования информационных и телекоммуникационных систем. Современные, большие центры обработки и передачи данных, например, относятся к крупнейшим потребителям электроэнергии.

Урбанизация

Еще одной заметной тенденцией является урбанизация. Все больше и больше людей переезжают из сельской местности в большие города. К 2050 году ожидается, что две трети всего населения будут проживать там, для сравнения: сейчас в городах проживает около половины.
Согласно Отделу народонаселения ООН в настоящее время насчитывается 24 мегаполиса с населением более 10 млн. человек. Обеспечить их всем необходимым: едой, товарами и коммунальными услугами – считается основной задачей современных логистических служб. Это также относится к поставкам электроэнергии. Плотность энерговыделения в местах массовой застройки небоскребами очень высока, поэтому необходимы новые решения для безопасного и надежного проведения электросетей в центрах больших городов. Слишком высокая стоимость недвижимости не позволяет размещать подстанции в домах, поэтому их устанавливают под землей.

Одна из наиболее значимых экологических проблем, которые имеют планетарное значение, связана с действием газов, вызывающих парниковый эффект, и изменением климата. Существует несколько видов эмиссий, которые способствуют этому процессу, однако больше всего опасений вызывает углекислый газ. Чтобы избежать существенного нагревания земной поверхности в ближайшие 20 лет, требуется пересмотреть политику и остановить необратимые изменения климата. В 2010 году общемировые выбросы углекислого газа, связанные с электроэнергетикой резко увеличились на 5,3% до рекордных 30,4 гигатон. Если подобная тенденция продолжится, то ожидается увеличение выбросов до 40 гигатон к 2030 году, а это может стать причиной потепления на 3,5 C° . Тем не менее, согласно 450 сценарию МЭА, ожидается, что выбросы, связанные с энергетикой, достигнут наивысшего показателя к 2020 года, а затем снизятся до 21,5 гигатон к 2035 году.

Рациональное использование электросетей может способствовать сокращению выбросов углекислого газа. Распределительные сети обычно на 95% более эффективны, а производительность трансформаторов распределительной сети выше на 99%. Несмотря на этот факт, огромные размеры базы установленных трансформаторов объясняют, почему совокупные энергопотери составляют значительную часть потерь в распределительной сети. Поэтому даже незначительные изменения в производительности трансформаторов способны существенно сократить выбросы углекислого газа.

Производительность трансформаторов рассматривается либо с точки зрения значения уровня потерь, либо уровня их КПД.

Значения КПД сравниваются при нагрузке 50%. Государственные стандарты, определяющие уровень энергопотерь трансформаторов, в последнее время претерпевают серьезные изменения: правительство и представители энергокомпаний стараются соответствовать своим обязательствам и обязанностям в сфере энергоэффективности и климатических изменений. Для разных стран характерны различные уровни эффективности трансформаторов. Низкий и средний упразднены – все страны переходят на высокий, очень высокий и сверхвысокий уровни. Сверхвысокий КПД могут показывать только трансформаторы с сердечником из аморфного металла.

Огромные размеры базы установленных трансформаторов объясняют, почему совокупные энергопотери составляют значительную часть потерь в распределительной сети.
Из всей энергии, потребляемой в мире, только 15% приходится на электроэнергию, хотя для производства этого количества расходуется 38% первичных энергоресурсов.

Еще одним ключевым моментом в борьбе против выбросов CO2 является получение электричества с помощью природных ресурсов: энергии ветра, солнца, волн и геотермальных источников. В 2011 году возобновляемые источники энергии (кроме крупных ГЭС) составили 44% дополнительных мощностей нового поколения по всему миру. В том же году общемировые инвестиции в возобновляемы источники энергии и топлива увеличился на 17 % и достиг новых рекордных показателей – 257 млрд. долларов, что в шесть раз превосходит показатели 2004 года. Согласно докладу МАЭ, посвященному перспективам развития мировой энергетики, ожидается, что доля возобновляемых энергоресурсов, обеспечивающих потребность в первичной энергии, возрастет на 8% к 2030 году.

Стабилизация напряжения за счет возобновляемых энергоносителей, традиционно используемая в трансформаторах высокого и среднего напряжения, в настоящее время будет востребована в электросетях среднего и низкого напряжения для обеспечения локальной стабилизации.

Ключевыми движущими силами для роста доли возобновляемых энергоресурсов являются предоставление правительством льгот и снижение затрат на производство. В 2011 году
стоимость фотоэлектрических модулей упала на 50%, стоимость ветряных турбин уменьшилась на 10%. Это сократило разницу в ценах между возобновляемыми источниками и ископаемыми энергоносителями. Если эта тенденция продолжится, то согласно МАЭ к 2020 году или даже раньше будет достигнут сетевой паритет, который позволит технологиям, использующим солнечную энергию, конкурировать на рынке с традиционными ископаемыми энергоносителями.

Затраты на оборудование с учетом всего срока службы

Чтобы определиться, инвестировать или нет, обычно производят расчеты окупаемости вложений, которые должны принимать во внимание не только стоимость отдельного оборудования, но и предполагаемые расходы в течение всего срока его эксплуатации. Затраты на оборудование предполагают первоначальные затраты при его покупке, затраты, связанные с его установкой, управлением, техническим обслуживание и утилизацией, также нужно учитывать затраты на энергопотери. Несмотря на то, что трансформаторы относятся к приборам, обеспечивающим высокий КПД – обычно более 99%, энергетические потери сводятся к приличным финансовым затратам, которые значительно превышают первоначальные. В такой ситуации энергокомпании все чаще используют специально разработанный метод, получивший название общая стоимость издержек (TOC) для того, чтобы определить окупаемость инвестиций. Этот показатель выражает величины потерь на холостом ходу и при нагрузке в денежном эквиваленте. В основном эти величины зависят от затрат на электроэнергию и условий инвестирования предприятия.

Одной из основных задач объединения различных источников генерирования электрической энергии является влияние на качество электроэнергии, особенно полосы напряжения, охватывающей разноплановые местные генераторы и технические условия сетевой нагрузки. В прошлом электроснабжение имело централизованный характер благодаря однонаправленному потоку электроэнергии, и основной проблемой были спады напряжения. Тем не менее, в настоящее время, а в будущем еще в большей степени в связи с применением различных источников генерирования электроэнергии, электропоток становится все более сложным, что ведет не только к спаду напряжения, но его скачкам. А это представляет собой новый уровень регулирования напряжения: традиционно стабилизация напряжения применялась в высоко- и средневольтных трансформаторах, сейчас она необходима и в средне- и низковольтных электросетях для обеспечения местной стабилизации.

Системный контроль

Еще одним развивающимся направлением является системный контроль за распределение электроэнергии, который позволяет операторам организовать надежную распределительную сеть и определять проблемы прежде, чем произойдет поломка. Можно легко установить вид неисправностей и их расположение и сократить время аварийного простоя.
Традиционно трансформаторы распределительной сети считались пассивными элементами оборудования, но в будущем им отведена более активная роль в обеспечении сетей надежностью и эффективностью.

Перспективы на будущее

Рост населения и увеличение потребления энергии – это главные причины выброса углекислого газа, следствием которого являются нежелательные изменения в климате. Для того, чтобы не допустить дальнейшее распространение этого негативного процесса, необходимо использовать энергосберегающие компоненты в электросетях и вводить технологии с низким содержанием углерода.

Прогноз и требования к энергетике с позиции устойчивого развития человечества. Нетрадиционные источники энергии: Энергия Солнца, ветра, термальная энергия земли, энергия внутренних вод и биомассы. Попытки использования нетрадиционные источников энергии.

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации

ФГОУ ВПО Уральская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра экологии и зоогигиены

Реферат по экологии:

Энергетические проблемы человечества

Исполнитель: ANTONiO

студент ФТЖ 212Т

Руководитель: Лопаева

Надежда Леонидовна

Екатеринбург 2007

• Введение 3
• Энергия Солнца 12
• Ветровая энергия 15
• Термальная энергия земли 18
• Энергия внутренних вод 19
• Энергия биомассы 20
• Заключение 21
• Литература 23
• Введение
• Сейчас, как никогда остро встал вопрос, о том, каким будет будущее планеты в энергетическом плане. Что ждет человечество — энергетический голод или энергетическое изобилие? В газетах и различных журналах все чаще и чаще встречаются статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются правительства. К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о запуске новых установок или о новых изобретениях в области энергетики. Разрабатываются гигантские энергетические программы, осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных затрат.
• Если в конце XIX века энергия играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. С течением времени — гигантские цифры, огромные темпы роста! И все равно энергии будет мало — потребности в ней растут еще быстрее. Уровень материальной, а, в конечном счёте, и духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении.
• Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию. А потребности человека все время растут, да и людей становится все больше. Так за чем же остановка? Ученые и изобретатели уже давно разработали многочисленные способы производства энергии, в первую очередь электрической. Давайте тогда строить все больше и больше электростанций, и энергии будет столько, сколько понадобится! Такое, казалось бы, очевидное решение сложной задачи, оказывается, таит в себе немало подводных камней. Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм.
• Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях.
• Правда, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее. Возросшие требования к защите окружающей среды потребовали нового подхода к энергетике. В разработке Энергетической программы приняли участие виднейшие ученые и специалисты различных сфер. С помощью новейших математических моделей электронно-вычислительные машины рассчитали несколько сотен вариантов структуры будущего энергетического баланса. Были найдены принципиальные решения, определившие стратегию развития энергетики на грядущие десятилетия. Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на не возобновляемых ресурсах, структура ее изменится. Должно сократиться использование нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях.

Энергетика: прогноз с позиции устойчивого развития человечества

Согласно каким законам будет развиваться энергетика мира в будущем, исходя из ООНовской Концепции устойчивого развития человечества? Результаты исследований иркутских ученых, сопоставление их с работами других авторов позволили установить ряд общих закономерностей и особенностей.

Концепция устойчивого развития человечества, сформулированная на Конференции ООН 1992 г. в Рио-де-Жанейро, несомненно, затрагивает и энергетику. На Конференции показано, что человечество не может продолжать развиваться традиционным путем, который характеризуется нерациональным использованием природных ресурсов и прогрессирующим негативным воздействием на окружающую среду. Если развивающиеся страны пойдут тем же путем, каким развитые страны достигли своего благополучия, то глобальная экологическая катастрофа будет неизбежна.

В основе концепции устойчивого развития лежит объективная необходимость (а также право и неизбежность) социально-экономического развития стран третьего мира. Развитые страны могли бы, по-видимому, «смириться» (по крайней мере, на какое-то время) с достигнутым уровнем благосостояния и потребления ресурсов планеты. Однако речь идет не просто о сохранении окружающей среды и условий существования человечества, но и об одновременном повышении социально-экономического уровня развивающихся стран (»Юга») и приближении его к уровню развитых стран (»Севера»).

Требования к энергетике устойчивого развития будут, конечно, шире, чем к экологически чистой энергетике. Требования неисчерпаемости используемых энергетических ресурсов и экологической чистоты, заложенные в концепции экологически чистой энергетической системы, удовлетворяют двум важнейшим принципам устойчивого развития — соблюдение интересов будущих поколений и сохранение окружающей среды. Анализируя остальные принципы и особенности концепции устойчивого развития, можно заключить, что к энергетике в данном случае следует предъявить, как минимум, два дополнительных требования:

– обеспечение энергопотребления (в том числе, энергетических услуг населению) не ниже определенного социального минимума;

– развитие национальной энергетики (так же, как и экономики) должно быть взаимно скоординировано с развитием ее на региональном и глобальном уровнях.

Первое вытекает из принципов приоритета социальных факторов и обеспечения социальной справедливости: для реализации права людей на здоровую и плодотворную жизнь, уменьшения разрыва в уровне жизни народов мира, искоренения бедности и нищеты, необходимо обеспечить определенный прожиточный минимум, в том числе, удовлетворение минимально необходимых потребностей в энергии населения и экономики.

Второе требование связано с глобальным характером надвигающейся экологической катастрофы и необходимостью скоординированных действий всего мирового сообщества по устранению этой угрозы. Даже страны, имеющие достаточные собственные энергетические ресурсы, как, например, Россия, не могут изолированно планировать развитие своей энергетики из-за необходимости учитывать глобальные и региональные экологические и экономические ограничения.

В 1998–2000 гг. в ИСЭМ СО РАН проведены исследования перспектив развития энергетики мира и его регионов в XXI веке, в которых наряду с обычно ставящимися целями определения долгосрочных тенденций в развитии энергетики, рациональных направлений НТП и т.п. сделана попытка проверки получаемых вариантов развития энергетики «на устойчивость», т.е. на соответствие условиям и требованиям устойчивого развития. При этом в отличие от вариантов развития, разрабатывавшихся ранее по принципу «что будет, если…», авторы попытались предложить по возможности правдоподобный прогноз развития энергетики мира и его регионов в XXI веке. При всей его условности дается более реалистичное представление о будущем энергетики, ее возможном влиянии на окружающую среду, необходимых экономических затратах и др.

Общая схема этих исследований в значительной мере традиционна: использование математических моделей, для которых готовится информация по энергетическим потребностям, ресурсам, технологиям, ограничениям. Для учета неопределенности информации, в первую очередь по потребностям в энергии и ограничениям, формируется набор сценариев будущих условий развития энергетики. Результаты расчетов на моделях затем анализируются с соответствующими выводами и рекомендациями.

Основным инструментом исследований являлась Глобальная энергетическая модель GEM-10R. Эта модель — оптимизационная, линейная, статическая, многорегиональная. Как правило, мир делился на 10 регионов: Северная Америка, Европа, страны бывшего СССР, Латинская Америка, Китай и др. Модель оптимизирует структуру энергетики одновременно всех регионов с учетом экспорта-импорта топлива и энергии по 25-летним интервалам — 2025, 2050, 2075 и 2100 гг. Оптимизируется вся технологическая цепочка, начиная с добычи (или производства) первичных энергоресурсов, кончая технологиями производства четырех видов конечной энергии (электрической, тепловой, механической и химической). В модели представлено несколько сот технологий производства, переработки, транспорта и потребления первичных энергоресурсов и вторичных энергоносителей. Предусмотрены экологические региональные и глобальные ограничения (на выбросы СО 2 , SO 2 и твердых частиц), ограничения на развитие технологий, расчет затрат на развитие и функционирование энергетики регионов, определение двойственных оценок и др. Первичные энергетические ресурсы (в том числе, возобновляемые) в регионах задаются с разделением на 4-9 стоимостных категорий.

Анализ результатов показал, что полученные варианты развития энергетики мира и регионов по-прежнему трудно реализуемы и не вполне отвечают требованиям и условиям устойчивого развития мира в социально-экономических аспектах. В частности, рассматривавшийся уровень энергопотребления представился, с одной стороны, трудно достижимым, а с другой стороны — не обеспечивающим желаемого приближения развивающихся стран к развитым по уровню душевого энергопотребления и экономического развития (удельному ВВП). В связи с этим был выполнен новый прогноз энергопотребления (пониженного) в предположении более высоких темпов снижения энергоемкости ВВП и оказания экономической помощи развитых стран развивающимся.

Высокий уровень энергопотребления определен исходя из удельных ВВП, в основном соответствующих прогнозам Мирового банка. При этом в конце XXI века развивающиеся страны достигнут лишь современного уровня ВВП развитых стран, т.е. отставание составит около 100 лет. В варианте низкого энергопотребления размер помощи развитых стран развивающимся принят исходя из обсуждавшихся в Рио-де-Жанейро показателей: около 0,7 % ВВП развитых стран, или 100-125 млрд дол. в год. Рост ВВП развитых стран при этом несколько уменьшается, а развивающихся — увеличивается. В среднем же по миру душевой ВВП в этом варианте увеличивается, что свидетельствует о целесообразности оказания такой помощи с точки зрения всего человечества.

Душевое потребление энергии в низком варианте в промышленно развитых странах стабилизируется, в развивающихся — возрастет к концу века примерно в 2,5 раза, а в среднем по миру — в 1,5 раза по сравнению с 1990 г. Абсолютное мировое потребление конечной энергии (с учетом роста населения) увеличится к концу начавшегося столетия по высокому прогнозу примерно в 3,5 раза, по низкому — в 2,5 раза.

Использование отдельных видов первичных энергоресурсов характеризуется следующими особенностями. Нефть во всех сценариях расходуется примерно одинаково — в 2050 г. достигается пик ее добычи, а к 2100 г. дешевые ресурсы (первых пяти стоимостных категорий) исчерпываются полностью или почти полностью. Такая устойчивая тенденция объясняется большой эффективностью нефти для производства механической и химической энергии, а также тепла и пиковой электроэнергии. В конце века нефть замещается синтетическим топливом (в первую очередь, из угля).

Добыча природного газа непрерывно увеличивается в течение всего века, достигая максимума в его конце. Две наиболее дорогие категории (нетрадиционный метан и метаногидраты) оказались неконкурентоспособными. Газ используется для производства всех видов конечной энергии, но в наибольшей степени — для производства тепла.

Уголь и ядерная энергия подвержены наибольшим изменениям в зависимости от вводимых ограничений. Будучи примерно равноэкономичными, они замещают друг друга, особенно в «крайних» сценариях. В наибольшей мере они используются на электростанциях. Значительная часть угля во второй половине века перерабатывается в синтетическое моторное топливо, а ядерная энергия в сценариях с жесткими ограничениями на выбросы СО 2 в больших масштабах используется для получения водорода.

Использование возобновляемых источников энергии существенно различается в разных сценариях. Устойчиво используются лишь традиционные гидроэнергия и биомасса, а также дешевые ресурсы ветра. Остальные виды ВИЭ являются наиболее дорогими ресурсами, замыкают энергетический баланс и развиваются по мере необходимости.

Интересно проанализировать затраты на мировую энергетику в разных сценариях. Меньше всего они, естественно, в двух последних сценариях с пониженным энергопотреблением и умеренными ограничениями. К концу века они возрастают примерно в 4 раза по сравнению с 1990 г. Наибольшие затраты получились в сценарии с повышенным энергопотреблением и жесткими ограничениями. В конце века они в 10 раз превышают затраты 1990 г. и в 2,5 раза — затраты в последних сценариях.

Следует отметить, что введение моратория на ядерную энергетику при отсутствии ограничений на выбросы СО 2 увеличивает затраты всего на 2 %, что объясняется примерной равноэкономичностью АЭС и электростанций на угле. Однако, если при моратории на ядерную энергетику ввести жесткие ограничения на выбросы СО 2 , то затраты на энергетику возрастают почти в 2 раза.

Следовательно, «цены» ядерного моратория и ограничений на выбросы СО 2 очень велики. Анализ показал, что затраты на снижение выбросов СО 2 могут составить 1-2 % от мирового ВВП, т.е. они оказываются сопоставимыми с ожидаемым ущербом от изменения климата планеты (при потеплении на несколько градусов). Это дает основания говорить о допустимости (или даже необходимости) смягчения ограничений на выбросы СО 2 . Фактически требуется минимизировать сумму затрат на снижение выбросов СО 2 и ущербов от изменения климата (что, конечно, представляет исключительно сложную задачу).

Очень важно, что дополнительные затраты на уменьшение выбросов СО 2 должны нести, главным образом, развивающиеся страны. Между тем, эти страны, с одной стороны, не виновны в создавшемся с тепличным эффектом положении, а с другой — просто не имеют таких средств. Получение же этих средств от развитых стран, несомненно, вызовет большие трудности и это — одна из серьезнейших проблем достижения устойчивого развития.

Нетрадиционные источники энергии

В XXI веке мы трезво отдаём себе отчёт в реальностях третьего тысячелетия. К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни. 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. Что же произойдет тогда, а это рано или поздно случится, когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Вероятность скорого истощения мировых запасов топлива, а также ухудшение экологической ситуации в мире, (переработка нефти и довольно частые аварии во время ее транспортировки представляют реальную угрозу для окружающей среды) заставили задуматься о других видах топлива, способных заменить нефть и газ.

Сейчас 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. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии включают солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биомассу и энергию Мирового океана.

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 км 2 ! Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счёт солнечной энергии, поглощённой коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км 2 , требует примерно 10 4 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1.17*10 9 тонн.

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 км 2 . В то же время общая площадь пахотных земель в мире составляет сегодня 13*10 6 км 2 . Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким 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 в 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.

Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам прошлого столетия. Крупнейших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт. Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году было введено еще 480 МВт электрической мощности, причем, стоимость 1 кВт/ч энергии – 7-8 центов. Это ниже, чем на традиционных станциях. В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом и в дневные часы – солнце. Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее вероятной “кандидатурой” является водород.

Его получение с использованием солнечной энергии, например, путем электролиза воды может быть достаточно дешевым, а сам газ, обладающий высокой теплотворной способностью, легко транспортировать и длительно хранить. Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня – направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы. Быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на 1 Вт установленной мощности с 1000 долларов в 1970 году до 3-5 долларов в 1997 году и повышению их КПД с 5 до 18%. Уменьшение стоимости солнечного ватта до 50 центов позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельэлектростанциями.

Ветровая энергия

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. 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 да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Техника XX 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.

Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю. С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой энергии.

Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевский заинтересовался ветряками и авиацией одновременно. Он начал создавать полную теорию ветряной мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка.

В начале ХХ века интерес к воздушным винтам и ветроколесам не был обособлен от общих тенденций времени – использовать ветер, где это только возможно. Первоначально наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном “Фраме” он вращал динамомашину. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы.

В России к началу прошлого века вращалось около 2500 тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать энергию ветра уже на научной и государственной основе. В 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата на 5000 кВт. Но реализовать его не удалось, так как Институт ветроэнергетики, занимавшийся этой проблемой, был закрыт.

В США к 1940 году построили ветроагрегат мощностью в 1250 кВт. К концу войны одна из его лопастей получила повреждение. Ее даже не стали ремонтировать – экономисты подсчитали, что выгодней использовать обычную дизельную электростанцию. Дальнейшие исследования этой установки прекратились.

Неудавшиеся попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной энергетике сороковых годов XX века не были случайны. Нефть оставалась сравнительно дешевой, резко снизились удельные капитальные вложения на крупных тепловых электростанциях, освоение гидроэнергии, как тогда казалось, гарантирует и низкие цены и удовлетворительную экологическую чистоту.

Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной. При наличии других источников энергии ветрогенератор может дополнять существующие. И, наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.

Термальная энергия земли

Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Мощность извержения 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 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, жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно.

Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников. 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. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и 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.

Энергия внутренних вод

Раньше всего люди научились использовать энергию рек. Но в золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса в виде водяной турбины. Электрические генераторы, производящие энергию, необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать вода. Можно считать, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 году. 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, чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуется уложить такое количество материалов, что объем гигантских египетских пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным. В 1926 году в строй вошла Волховская ГЭС, в следующем началось строительство знаменитой Днепровской. Энергетическая политика нашей страны, привела к тому, что у нас развита система мощных гидроэлектрических станций. Ни одно государство не может похвастаться такими энергетическими гигантами, как Волжские, Красноярская и Братская, Саяно-Шушенская ГЭС. Энергоустановка на реке Ранс, состоящая из 24 реверсивных турбогенераторов, и имеющая выходную мощность 240 мегаватт — одна из наиболее мощных гидроэлектростанций во Франции. Гидроэлектростанции являются наиболее экономически выгодным источником энергии. Но имеют недостатки — при транспортировке электроэнергии по линиям электропередач происходят потери до 30% и создаётся экологически опасное электромагнитное излучение. Пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии.

Энергия биомассы

В США в середине 70-х годов группа специалистов в области исследования океана, морских инженеров и водолазов создала первую в мире океанскую энергетическую ферму на глубине 12 метров под залитой солнцем гладью Тихого океана вблизи города Сан-Клемент. На ферме выращивались гигантские калифорнийские бурые водоросли. По мнению директора проекта доктора Говарда А. Уилкокса, сотрудника Центра исследования морских и океанских систем в Сан-Диего (Калифорния), «до 50 % энергии этих водорослей может быть превращено в топливо — в природный газ метан. Океанские фермы будущего, выращивающие бурые водоросли на площади примерно 100 000 акров (40 000 га), смогут давать энергию, которой хватит, чтобы полностью удовлетворить потребности американского города с населением в 50 000 человек».

К биомассе, кроме водорослей, можно также отнести и продукты жизнедеятельности домашних животных. Так, 16 января 1998 года в газете “Санкт Петербургские Ведомости” была напечатана статья, под названием “Электричество… из куриного помёта” в которой говорилось о том, что находящаяся в финском городе Тампере дочерняя фирма международного норвежского судостроительного концерна Kvaerner стремится получить поддержку ЕС для сооружения в британском Нортхэмптоне электростанции, действующей… на курином помете. Проект входит в программу EС Thermie, которая предусматривает развитие новых, нетрадиционных, источников энергии и методов сбережения энергетических ресурсов. Комиссия ЕС распределила 13 января 140 млн ЭКЮ среди 134 проектов.

Спроектированная финской фирмой силовая установка будет сжигать в топках 120 тысяч тонн куриного помета в год, вырабатывая 75 млн киловатт-часов энергии.

Заключение

Можно выделить ряд общих тенденций и особенностей в развитии энергетики мира в начавшемся столетии.

1. В XXI в. неизбежен значительный рост мирового потребления энергии, в первую очередь, в развиваюшихся странах. В промышленно развитых странах энергопотребление может стабилизироваться примерно на современном уровне или даже снизиться к концу века. По низкому прогнозу, сделанному авторами, мировое потребление конечной энергии может составить в 2050 г. 350 млн Тдж/год, в 2100 г. — 450 млн Тдж/год (при современном потреблении около 200 млн Тдж/год).

2. Человечество в достаточной мере обеспечено энергетическими ресурсами на XXI век, но удорожание энергии неизбежно. Ежегодные затраты на мировую энергетику возрастут в 2,5-3 раза к середине века и в 4-6 раз к концу его по сравнению с 1990 г. Средняя стоимость единицы конечной энергии увеличится в эти сроки, соответственно, на 20-30 и 40-80 % (увеличение цен на топливо и энергию может быть еще значительнее).

3. Введение глобальных ограничений на выбросы СО 2 (наиболее важного тепличного газа) очень сильно повлияет на структуру энергетики регионов и мира в целом. Попытки сохранения глобальных выбросов на современном уровне следует признать нереальными из-за трудно разрешимого противоречия: дополнительные затраты на ограничение выбросов СО 2 (около 2 трлн долл./год в середине века и более 5 трлн долл./год в конце века) должны будут нести преимущественно развивающиеся страны, которые, между тем, «не виновны» в создавшейся проблеме и не имеют необходимых средств; развитые же страны вряд ли захотят и смогут оплатить такие затраты. Реалистичным с точки зрения обеспечения удовлетворительных структур энергетики регионов мира (и затрат на ее развитие) можно считать ограничение во второй половине века глобальных выбросов СО 2 до 12-14 Гт С/год, т.е. до уровня примерно в два раза выше, чем было в 1990 г. При этом сохраняется проблема распределения квот и дополнительных затрат на ограничение выбросов между странами и регионами.

4. Развитие ядерной энергетики представляет наиболее эффективное средство снижения выбросов СО 2 . В сценариях, где вводились жесткие или умеренные ограничения на выбросы СО 2 и отсутствовали ограничения на ядерную энергетику, оптимальные масштабы ее развития получились чрезвычайно большими. Другим показателем ее эффективности явилась «цена» ядерного моратория, которая при жестких ограничениях на выбросы СО 2 выливается в 80-процентное увеличение затрат на мировую энергетику (более 8 трлн долл./год в конце XXI в.). В связи с этим были рассмотрены сценарии с «умеренными» ограничениями на развитие ядерной энергетики для поиска реально возможных альтернатив.

5. Непременное условие перехода к устойчивому развитию — помощь (финансовая, техническая) наиболее отсталым странам со стороны развитых стран. Для получения реальных результатов такая помощь должна быть оказана в самые ближайшие десятилетия, с одной стороны, для ускорения процесса приближения уровня жизни развивающихся стран к уровню развитых, а с другой — чтобы такая помощь еще могла составить заметную долю в быстро увеличивающемся суммарном ВВП развивающихся стран.

Введение. Энергия - проблемы роста потребления

Энергетический кризис - явление, возникающее, когда спрос на энергоносители значительно выше их предложения. Его причины могут находиться в области логистики, политики или физического дефицита.

Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продол-жительности и улучшения условий его жизни.
История цивилизации - история изобретения все новых и новых методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и в конечном итоге увеличения энергопотребления.
Первый скачок в росте энергопотребления произошел, когда человек научился добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева своих жилищ. Источниками энергии в этот период служили дрова и мускульная сила человека. Следующий важный этап связан с изобретением колеса, созданием разнообразных орудий труда, развитием кузнечного производства. К XV веку средневековый человек, используя рабочий скот, энергию воды и ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек. Особенно заметное увеличение мирового потребления энергии произошло за последние 200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи, - оно возросло в 30 раз и достигло в 1998 г. 13.7 Гигатонн условного топлива в год. Человек индустриального общества потребляет в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек.
В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей.
В то же время энергетика - один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ).
Несмотря на отмеченные факторы отрицательного воздействия энергетики на окружающую среду, рост потребления энергии не вызывал особой тревоги у широкой общественности. Так продолжалось до середины 70-х годов, когда в руках специалистов оказались многочисленные данные, свидетельствующие о сильном антропогенном давлении на климатическую систему, что таит угрозу глобальной катастрофы при неконтролируемом росте энергопотребления. С тех пор ни одна другая научная проблема не привлекает такого пристального внимания, как проблема настоящих, а в особенности предстоящих изменений климата.
Считается, что одной из главных причин этого изменения является энергетика. Под энергетикой при этом понимается любая область человеческой деятельности, связанная с производством и потреблением энергии. Значительная часть энергетики обеспечивается потреблением энергии, освобождающейся при сжигании органического ископаемого топлива (нефти, угля и газа), что, в свою очередь, приводит к выбросу в атмосферу огромного количества загрязняющих веществ.
Такой упрощенный подход уже наносит реальный вред мировой экономике и может нанести смертельный удар по экономике тех стран, которые еще не достигли необходимого для завершения индустриальной стадии развития уровня потребления энергии, в том числе России. В действительности все обстоит гораздо сложнее. Помимо парникового эффекта, ответственность за который, частично лежит на энергетике, на климат планеты оказывает влияние ряд естественных причин, к числу важнейших из которых относятся солнечная активность, вулканическая деятельность, параметры орбиты Земли, автоколебания в системе атмосфера-океан. Корректный анализ проблемы возможен лишь с учетом всех факторов, при этом, разумеется, необходимо внести ясность в вопрос, как будет вести себя мировое энергопотребление в ближайшем будущем, действительно ли человечеству следует установить жесткие самоограничения в потреблении энергии с тем, чтобы избежать катастрофы глобального потепления.

Современные тенденции развития энергетики

Таблица 5.7. Некоторые недавние прогнозы энергопотребления на 2000 г.
(в скобках - год публикации) и его действительное значение.

Уменьшение энергопотребления по отношению к прогнозируемому связаны, прежде всего, с переходом от экстенсивных путей ее развития, от энергетической эйфории к энергетической политике, основанной на повышении эффективности использования энергии и всемерной ее экономии.
Поводом для этих изменений стали энергетические кризисы 1973 и 1979 годов, стабилизация запасов ископаемых топлив и удорожание их добычи, желание уменьшить обусловленную экспортом энергоресурсов зависимость экономики от политической нестабильности в мире.

Кризис топливных ресурсов

В начале 70-х годов страницы газет запестрели заголовками: «Энергетический кризис!», «Надолго ли хватит органического топлива?», «Конец нефтяного века!», «Энергетический хаос». Этой теме до сих пор большое внимание уделяют все средства массовой информации - печать, радио, телевидение. Основания для такой тревоги есть, ибо человечество вступило в сложный и достаточно долгий период мощного развития своей энергетической базы. Поэтому следуете просто расходовать известные сегодня запасы топлива, но расширяя масштабы современной энергетики, отыскивать новые источники энергии и развивать новые способы её преобразования.
Прогнозов о развитии энергетики сейчас очень много. Тем не менее, несмотря на улучшившуюся методику прогнозирования, специалисты, занимающиеся прогнозами, не застрахованы от просчетов, и не имеют достаточных оснований говорить о большой точности своих прогнозов для такого временного интервала, каким являются 40-50 лет.
Человек всегда будет стремиться обладать как можно большим количеством энергии, обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника дадут ему возможность получать энергию во всевозрастающих объемах. Но, как показывает историческое развитие, обязательно будут появляться новые открытия и изобретения, которые помогут человечеству сделать очередной качественный скачок и пойти к новым достижениям ещё более быстрыми шагами.
Тем не менее, пока проблема истощения энергетических ресурсов остается. Ресурсы, которыми обладает Земля, делятся на возобновляемые и невозобновляемые . К первым относятся солнечная энергия, тепло Земли, приливы океанов, леса. Они не прекратят существования, пока будут Солнце и Земля. Невозобновляемые ресурсы не восполняются природой или восполняются очень медленно, гораздо медленнее, чем их расходуют люди. Скорость образования новых горючих ископаемых в недрах Земли определить довольно трудно. В связи с этим оценки специалистов различаются более чем в 50 раз. Если даже принять самое большое это число, то все равно скорость накопления топлива в недрах Земли в тысячу раз меньше скорости его потребления. Поэтому такие ресурсы и называют невозобновляемыми. Оценка запасов и потребления основных из них приведена в табл.5.44. В таблице приведены потенциальные ресурсы. Поэтому при существующих сегодня методах добычи из них можно извлечь только около половины. Другая половина остается в недрах. Именно поэтому, часто утверждают, что запасов хватит на 120-160 лет. Большую тревогу вызывает намечающееся истощение нефти и газа, которого (по имеющимся оценкам) может хватить всего на 40-60 лет.
С углем свои проблемы. Во-первых, его транспортировка - дело весьма трудоемкое. Так в России, основные запасы угля сосредоточены на востоке, а основное потребление - в европейской части. Во-вторых, широкое использование угля связано с серьезным загрязнением атмосферы, засорением поверхности земли и ухудшением почвы.
В разных странах все перечисленные проблемы выглядят различно, но решение их почти везде было одно - внедрение атомной энергетики. Запасы уранового сырья тоже ограничены. Однако если говорить о современных тепловых реакторах усовершенствованного типа, то для них, вследствие достаточно большой их эффективности, можно считать запасы урана практически безграничными.
Так почему же люди заговорили об энергетическом кризисе, если запасов только органического топлива хватит на сотни лет, а в резерве ещё ядерное?
Весь вопрос в том, сколько оно стоит. И именно с этой стороны нужно рассматривать сейчас энергетическую проблему. в недрах земли ещё много, но их добыча Нефти, газа стоит все дороже и дороже, так как эту энергию приходится добывать из более бедных и глубоко залегающих пластов, из небогатых месторождений, открытых в необжитых, труднодоступных районах. Гораздо больше приходится и придется вкладывать средств для того, чтобы свести к минимуму экологические последствия использования органического топлива.
Атомная энергия внедряется сейчас не потому, что она обеспечена топливом на столетия и тысячелетия, а, скорее из-за экономии и сохранения на будущее нефти и газа, а также из-за возможности уменьшения экологической нагрузки на биосферу.
Существует распространенное мнение, что стоимость электроэнергии АЭС значительно ниже стоимости энергии, вырабатываемой на угольных, а в перспективе - и газовых электростанциях. Но если подробно рассмотреть весь цикл атомной энергетики (от добычи сырья до утилизации РАО, включая расходы на строительство самой АЭС), то эксплуатация АЭС и обеспечение ее безопасной работы оказываются дороже, чем строительство и работа станции такой же мощности на традиционных источниках энергии (табл.5.8 на примере экономики США).
Поэтому в последнее время все больший акцент делается на энергосберегающих технологиях и возобновляемых источниках - таких как солнце, ветер, водная стихия. Например, в Европейском союзе поставлена цель к 2010-2012 гг. получать 22% электроэнергии с помощью новых источников. В Германии, например, уже в 2001 г. энергия, производимая от возобновимых источников, была равносильна работе 8 атомных реакторов, или 3.5% всей электроэнергии.
Многие считают, что будущее принадлежит дарам Солнца. Однако, оказывается и здесь все не так просто. Пока стоимость получения электроэнергии с применением современных солнечных фотоэлектрических элементов в 100 раз выше, чем на обычных электростанциях. Однако специалисты, занимающиеся фотоэлементами, полны оптимизма, и считают, что им удастся существенно снизить их стоимость.
Точки зрения специалистов на перспективы использования возобновляемых источников энергии очень различаются. Комитет по науке и технике в Англии, проанализировав перспективы освоения таких источников энергии, пришел к выводу, что их использование на базе современных технологий пока минимум в два-четыре раза дороже строительства АЭС. Другие специалисты в различных прогнозах этим источникам энергии уже в недалеком будущем. По-видимому, источники возобновляемой энергии будут применяться в отдельных районах мира, благоприятных для их эффективного и экономичного использования, но в крайне ограниченных масштабах. Основную долю энергетических потребностей человечества должны обеспечить уголь и атомная энергетика. Правда, пока нет настолько дешевого источника, который позволил бы развивать энергетику такими быстрыми темпами, как бы этого хотелось.
Сейчас и на предстоящие десятилетия наиболее экологичным источником энергии представляются ядерные, а затем, возможно, и термоядерные редакторы. С их помощью человек и будет двигаться по ступеням технического прогресса. Будет двигаться до тех пор, пока не откроет и не освоит какой-либо другой, более удобный источник энергии.
На рис.5.38 приведен график роста мощности АЭС в мире и производства электроэнергии за 1971-2006 гг., и прогнозы развития на 2020-30 гг. Помимо упомянутых выше, несколько развивающихся стран, таких, как Индонезия, Египет, Иордания и Вьетнам, заявили о возможности создания АЭС и сделали первые шаги в этом направлении.

Рис.5.38. (наверху ) Рост мощности АЭС и производства электроэнергии за 1971-2006 гг. по данным МАГАТЭ и прогнозы мощности АЭС в Мире на 2020-2030 гг. (внизу )

Экологический кризис энергетики

Основные формы влияния энергетики на окружающую среду состоят в следующем.

1. Основной объем энергии человечество пока получает за счет использования невозобновимых ресурсов.
2. Загрязнение атмосферы: тепловой эффект, выделение в атмосферу газов и пыли.
3. 3. Загрязнение гидросферы: тепловое загрязнение водоемов, выбросы загрязняющих веществ.
4. Загрязнение литосферы при транспортировке энергоносителей и захоронении отходов, при производстве энергии.
5. Загрязнение радиоактивными и токсичными отходами окружающей среды.
6. Изменение гидрологического режима рек гидроэлектростанциями и как следствие загрязнение на территории водотока.
7. Создание электромагнитных полей вокруг линий электропередач.

Согласовать постоянный рост энергопотребления с ростом отрицательных последствий энергетики, учитывая, что в ближайшее время человечество ощутит ограниченность ископаемого топлива, можно, по-видимому, двумя способами

1. Экономия энергии. Степень влияния прогресса на экономию энергии можно продемонстрировать на примере паровых машин. Как известно, КПД паровых машин 100 лет назад составлял 3-5%, а сейчас достигает 40%. Развитие мировой экономики после энергетического кризиса 70 годов также показало, что на этом пути у человечества есть значительные резервы. Применение ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий обеспечило значительное сокращение потребления топлива и материалов в развитых странах.
2. Развитие экологически более чистых видов производства энергии. Решить проблему, вероятно, способно развитие альтернативных видов энергетики, особенно базирующихся на использовании возобновляемых источников. Однако пути реализации данного направления пока не очевидны. Пока возобновимые источники дают не более 20 % общемирового потребления энергии. Основной вклад в эти 20% дают использование биомассы и гидроэнергетика.

Экологические проблемы традиционной энергетики

Основная часть электроэнергии производится в настоящее время на тепловых электростанциях (ТЭС). Далее обычно идут гидроэлектростанции (ГЭС) и атомные электростанции (АЭС).

Проблема энергетическая рано или поздно настигает каждое государство на планете. Запасы недр Земли не бесконечны, поэтому планирование будущего является основной задачей исследовательских организаций. На данный момент человечество не придумало альтернативу основным ресурсам, необходимым для ведения жизнедеятельности.

Основная забота человечества

Проблема энергетическая затрагивает каждую ячейку общества. Основные цели использования природных ресурсов - это:

• обогрев жилья;
• транспортировка грузов;
• использование в промышленности.

Естественные источники энергии не могут в полном объёме перекрыть получаемый коэффициент полезного действия от угля, нефти, газа. Насущный вопрос экологичности переработки ископаемых в энергию также волнует все исследовательские сообщества.

Условия изменились

Проблема энергетическая сформировалась десятки лет назад после резкого роста потребления ресурсов, связанного с развитием автотранспортной промышленности.

Кризис разрастался, и были сделаны выводы, что запасов нефти хватит не более чем на 35 лет. Но это мнение поменялось после открытия новых месторождений. Развитие топливной промышленности привело к ухудшению экологии в мире, что породило появление новой проблемы: как сохранить растительность и животный мир.

Проблема энергетическая рассматривается не только как вопрос добычи и запасов ресурсов, но и как побочные эффекты от грязного производства топлива. Из-за желания обладать месторождениями между странами возникают конфликты, перерастающие в затяжную войну. регионов зависит от метода добычи энергии, от доступа к ней, месту разработки и наполнения баз под хранение ресурсов.

Решение энергетической проблемы поможет улучшить ситуацию сразу в нескольких отраслях, что актуально для всех слоев населения. Владение основной частью ресурсов дает возможности для управления странами; здесь затрагивается интерес движения к глобализации экономики.

Варианты закрытия вопроса о топливном кризисе

Основные пути решения проблем уже изучены экономистами. Пока что не существует реально действующего ответа на этот вопрос. Все варианты выхода из топливного кризиса длительны и рассчитаны на сотни лет. Но постепенно человечество осознает необходимость кардинальных действий в направлении замены традиционных методов добычи энергии на экологичные и более полезные.

Проблемы энергетического развития будут расти с ростом технологичности производств и транспорта. В некоторых регионах уже наблюдается нехватка ресурсов в энергетической отрасли. Китай, к примеру, достиг предела в развитии энергетической промышленности, а Великобритания стремится сократить эту область для восстановления экологической обстановки.

Основная же тенденция развития энергетики в мире движется к наращиванию объема поставок энергии, что неизбежно ведет к кризису. Однако у стран, затронутых топливным кризисом 70-х годов, уже выработан механизм защиты от скачков в экономике. Предприняты глобальные меры по энергосбережению, дающие положительные результаты уже в настоящее время.

Экономия расхода топлива

Энергетический кризис частично решается за счет мер сбережения. Экономически подсчитано, что единица сэкономленного топлива дешевле на одну треть добытой из недр Земли. Поэтому на каждом предприятии нашей планеты введён режим оправданной экономии энергии. В результате такой подход ведёт к улучшению показателей.

Глобальная энергетическая проблема требует объединения исследовательских институтов всего мира. По результатам экономии расхода энергии в Великобритании экономические показатели повысились в 2 раза, а в США - в 2,5. В качестве альтернативных решений развивающиеся страны проводят действия, направленные на создание энергоемких производств.

Энергетическая и сырьевая проблема присутствует в более острой форме в развивающихся странах, где потребление энергии растёт с повышением уровня жизни. Развитые страны уже приспособились к меняющимся условиям и выработали механизм защиты от резких скачков спроса потребителей. Поэтому у них показатели расхода ресурсов оптимальные и меняются незначительно.

Трудности на пути сбережения ресурсов

При оценке энергозатрат учитывается целый комплекс энергетических проблем. Одной из главных является дешевизна нефти и газа, что мешает внедрению экологически чистых преобразователей естественной энергии (солнца, движения воды, ветра океана) в электрическую. Технологии вносят существенный вклад в энергосбережение. Учёные постоянно находятся в поиске более доступных и экономически выгодных способов выработки энергии. К таким относят электромобили, солнечные батареи, аккумуляторы, изготовленные из отходов.

Наиболее интересные для экономики идеи и изобретения уже получили одобрение со стороны жителей стран Германии, Швейцарии, Франции, Великобритании. Путём замещения переработки ископаемых экологически чистыми преобразователями энергии была нехватки ресурсов. Говорить о мировом кризисе из-за ограниченных запасов ископаемых в настоящее время уже не приходится.

Варианты замещения энергий

Задачей исследовательских институтов на пути решения энергетической нехватки в определённых регионах является поиск варианта развития технологий, необходимых для регулирования дисбаланса ресурсов. Так, в пустыне лучше развивать добычу электричества из солнечных лучей, а в дождливых тропиках стараются использовать гидроэлектростанции.

Для сохранения экономических и экологических показателей на должном уровне в первую очередь стараются заменить использование первичных ресурсов: нефти и угля. Для общества более выгоден природный газ и другие альтернативные источники энергии.

Большинство преобразователей чистых энергий требует колоссальных материальных затрат на их внедрение в повседневную жизнь. К этому ещё не готовы развивающиеся страны. Частично проблема нехватки энергии решается равномерным расселением жителей мегаполисов по свободным территориям. Этот процесс должен сопровождаться постройкой новых экологичных станций по переработке естественных энергий в электричество, тепло.

Вред от первичных ресурсов

Основными угрозами для природы и человека являются добыча нефти на шельфе, выбросы продуктов сгорания в атмосферу, результаты химических и атомных реакций, открытая добыча угля. Эти процессы требуется вовсе прекратить, решением может стать развитие научной индустрии в отстающих регионах. Потребление ресурсов растёт с развитием общества, перенаселением местности и открытием мощных производств.

На Земле, в связи со стремительным истощением сырьевых запасов возникла сырьевая проблема, имеющая общие черты с энергетической проблемой, поэтому специалисты рассматривают их в неразрывной связи, как общую топливно-сырьевую проблему планеты. Для развития цивилизации необходимо сырье и топливо, но, к сожалению, месторождения минерального и углеводородного сырья на планете истощаются, проблема его недостатка приобретает глобальные масштабы, подтвержденные сырьевым кризисом 70 годов.

Сырье – исходный материал для множества технологических процессов. Это понятие включает в себя вещества природного и синтетического происхождения, используемые в промышленном производстве как исходный материал для получения энергии и необходимой продукции. Существует разделение сырья по его происхождению, на промышленное и сельскохозяйственное. Но чаще всего термин - «сырьевые ресурсы», связывают с минеральным сырьем. Полезные ископаемые – основа развития и существования человечества. Промышленность на планете развивается стремительными темпами, потребность в сырье растет, следовательно, растут объемы добычи. К сожалению, запасы нефти, газа, железной руды и других ископаемых на планете ограничены, поэтому через некоторое время они будут исчерпаны.

Причины возникновения сырьевой проблемы:

• Стремительный рост количества добываемого из недр планеты сырья.
• Естественным истощением месторождений в результате добычи.
• Разведанные запасы углеводородов не бесконечны.
• Необходимость добычи обедненных руд с низким содержанием полезных веществ.
• Увеличение расстояния между регионами добычи и переработки.
• Необходимость использования месторождения с плохими горно-геологическими условиями.
• Разработка вновь открытых месторождений в регионах со сложными природными условиями.

Вышеперечисленные причины оказывают огромное влияние на обеспеченность промышленности природными ресурсами на глобальном уровне, которая постоянно снижается. Расчеты обеспеченности ресурсами планеты, сделанные специалистами, использующими разные методики, часто не совпадают, между результатами возникают большие расхождения. В наше время назрела острая необходимость рационального использования и более полного извлечения из недр Земли минерального сырья. Например, современные технологии добычи нефти с низким коэффициентом извлечения, не превышающим 0,25-0,45, нужно усовершенствовать, ведь большая часть ценнейшего энергетического сырья остается в недрах. Если коэффициент извлечения увеличить даже на 1%, то при существующих объемах добычи нефти получим значительный экономический эффект. Если в 20 веке преобладала «ресурсная расточительность», то в 21 веке человечество вынуждено было перейти к рациональному потреблению ресурсов.

Основные моменты перехода:

• Энергетический кризис 70-х годов дал толчок развитию энергосберегающих технологий и начался интенсивный путь развития всей мировой экономики. Уменьшение потребление энергии произошло в промышленной и непроизводственной сфере, что привело к существенной экономии углеводородного сырья.
• Несовершенство традиционных технологий привело к тому, что только 20% добываемого сырья используется в готовой продукции, все остальное скапливается в отвалах. Они складываются из миллиардов тонн шлаковых отходов металлургии, зольных отходов ТЭС и огромного количества горных пород. Уже появились инновационные технологии, использующие отходы для извлечения из них металлов, химических веществ и производства строительных материалов. Такие технологии способствуют значительному снижению «ресурсной расточительности» и переходу к рациональному использованию ресурсов планеты.

Энергетическая проблема

Для цивилизации необходимо наличия топлива и энергии в долгосрочной перспективе. Но ограниченность количества и увеличение темпов потребления углеводородных и минерально-сырьевых ресурсов на Земле стало причиной возникновения энергетической проблемы.

Региональные кризисы возникали в отдельных государствах и в доиндустриальную эпоху. Яркий пример – в Англии 18 века вырубка лесов достигла таких размеров, что для отопления страна вынуждена была перейти на каменный уголь. Тогда это была локальная проблема, но во время мирового энергетического кризиса 70-х годов, она приобрела глобальный характер. Резко увеличившиеся цены на нефть привели к стагнации мировой экономики.

Кризис был преодолен, но проблема обеспеченности мировой экономики энергией и топливом никуда не исчезла, она сохранила свое значение. В среднем один рабочий на производстве использует количество энергии эквивалентное 100 л. с. Количество производимой энергии на жителя планеты – показатель качества жизни. Считается, что норма на душу населения – 10 кВт, а среднее значение для населения планеты всего 2 кВт.

Высокоразвитые страны мира уже достигли общепринятых норм выработки энергии на человека. Но нерациональное использование ресурсов, увеличение количества населения, неравномерное распределение сырья и топлива по регионам планеты, будут, приводить к постоянному увеличению их потребления и производства. Например, урановые руды, используемые в атомной энергетике, при современных темпах добычи будут полностью исчерпаны уже в первой половине 21 века.

Одна из причин топливно-энергетической проблемы – увеличение масштабов использования природных ресурсов, количество которых не безгранично. Бывшие социалистические страны отличались чрезвычайно затратной экономикой, в которой потери энергетических ресурсов были огромны. Положение, после распада СССР, немного улучшилось, но и сейчас страны СНГ на выработку единицы продукции используют сырья в 2 раза больше, чем Европейские страны. Увеличивается добыча нефти и газа. Разведаны и эксплуатируются богатейшие нефтегазовые месторождения Западной Сибири, на шельфе Северного моря, на Аляске с одновременным ухудшением экологической ситуации.

Ученые и специалисты произвели сложные расчеты, показавшие – если темпы использования каменного угля сохранятся, то его хватит на 325 лет, газа на 62 года, а запасы нефти истощатся через 37 лет. Постоянно открываются новые месторождения углеводородов, как на материке, так и на шельфе. Открытие новых энергетических источников разрушило пессимистические прогнозы 70 годов.

Пути решения проблем

Существуют два пути разрешения энергетической проблемы – экстенсивный и интенсивный путь.

Экстенсивный путь – это увеличение добычи углеводородного сырья и рост энергопотребления. Китай и Англия уже достигли предела добычи собственных энергоносителей с перспективой сокращения их количества. Недостаток энергоресурсов вынуждает многие страны искать технологии, позволяющие их рациональное использование.

Интенсивный путь – уменьшение энергозатрат на единицу продукции.

Энергетический кризис привел к перестройке структуры экономики, к внедрению инновационных энергосберегающих технологий и это позволило уменьшить последствия энергетического кризиса. Если сберечь тонну энергоносителя, то его цена будет в 3 или 4 раза меньше, чем добытая тонна. Уже к завершению 20 века США и Германия уменьшили энергоемкость производства в 2,5 раза.

Например:

По сравнению с металлургией энергоемкость в машиностроении уменьшилась практически в 10 раз.

Все энергоемкие производства развитые страны переводили в страны третьего мира. Энергосбережение сэкономило 20% энергоресурсов на единицу ВВП.

Повышение эффективности потребления энергии связано с внедрением современных технологических процессов. Инновационные технологии очень капиталоемкие, но это перспективный путь развития - затраты в 3 раза меньше расходов на увеличение добычи энергоресурсов.

Удивительно, но некоторые государства, например Китай, Россия, Индия, Украина по-прежнему используют устаревшие технологии в металлургии и химической промышленности. Они даже стремятся развивать эти чрезвычайно энергоемкие производства.

Увеличение энергопотребления в этих государствах связано с недостатком средств на внедрение современных технологий и с небольшим повышением уровня жизни населения. Глобальная энергетическая проблема и ее решение связано с расходом энергии на изготовление продукции. В настоящее время недостатка энергетических ресурсов на планете нет. Для некоторых регионов и государств сохраняется характерная проблема обеспечения энергоресурсами.

Глобальная сырьевая проблема, пути решения

• Организовывать и финансировать геологоразведочные и геолого-поисковые экспедиции. При успешном завершении поиска запасы минерального сырья увеличатся. Например, в послевоенный период разведанное количество запасов бокситов увеличилось почти в 36 раз, а добыча только в 10 раз. В этот период почти в 7 раз увеличились разведанные запасы медных руд с увеличением добычи только в 3 раза. Разведано множество месторождений нерудных ископаемых – калийных солей, фосфоритов, каменной соли. Современная техника позволяет проводить поиск и разведку месторождений не только на материке, но на дне морей и Мирового океана.
Внедрение энергосберегающих технологий, уменьшение материалоемкости изделий и энергоемкости процессов изготовления конечной продукции.
• Добиваться полной и безотходной переработки минеральных ресурсов.
• Использование в промышленности вторичного сырья - важного элемента рационального использования природных ресурсов.
• Применение искусственных материалов для замены природного сырья, например керамики, стекловолокна, углеволокна и других материалов.

Несмотря на огромные природные запасы полезных ископаемых – руды, нефти, газа, экономика России, развивающаяся экстенсивным путем, стала испытывать определенные кризисные явления. Постепенно богатые месторождения полезных ископаемых истощаются, растет себестоимость их добычи, наблюдается постепенное снижение запасов углеводородного и минерального сырья государства.