Реферат: Цивилизация в поисках идеальной энергетики будущего

Оглавление

Введение………………………………………………………………..……3

Понятие энергии и энергетики. …………………………………………...4

Альтернативные источники энергии. ……………………………………..5

Будущие источники энергии……………………………………………...11

Заключение………………………………………………………………....15

Список использованной литературы……………………………………..16

Введение

XXI век. Население земли около 6 миллиардов человек. Одна четверть населения земли живет в наиболее развитых странах мира, потребляющих наибольший процент земных ресурсов относительно других стран.

Представим, что остальные три четверти населения Земли вдруг стали потреблять такое же количество ресурсов, как и первая? На какое по продолжительности время хватит ресурсов Земли? По оценкам некоторых экспертов, около 10 лет. Если сохранить объемы и скорость потребления энергоресурсов, то человечество сможет пользоваться им еще около 100 лет.

В последнее время все мировое сообщество в лице ученых и докторов наук задумывается над этой глобальной проблемой, встающей перед человечеством, перед нашим будущим поколением. Как обеспечить будущее поколение необходимыми ресурсами, нужными для нормальной полноценной жизни? Несомненно, придется искать новые источники энергии, поиски которых, в общем-то, уже начались.

Понятие энергии и энергетики.

Слово «энергия» в переводе с греческого означает действие, деятельность.[1] Согласно современным представлениям, энергия — это общая количественная мера разных форм движения материи. Различают механическую, тепловую, химическую, ядерную и другие виды энергии. Превращение энергии из одного вида в другой подчиняется фундаментальному закону сохранения, из которого следует невозможность создания вечного двигателя. В большинстве случаев полезная работа совершается только в результате определенных изменений состояния материальных систем (горения топлива, падения воды и т.п.). Работоспособность системы, т.е. способность ее совершать определенную работу при переходе из одного состояния в другое, определяется энергией. Благодаря потреблению энергии движется транспорт, улетают в космос ракеты, готовится пища, обогреваются жилища, освещаются улицы и т.д.

В природе существует множество форм энергии: ею обладают люди и животные, камни и растения, ископаемое топливо и деревья, реки и озера, Мировой океан, атмосфера, земные недра, Солнце, атомные ядра и т.п. Несмотря на огромное разнообразие форм энергии, для ее производства используются в основном три вида источников: ископаемое топливо (нефть, природный газ, уголь), ядерное топливо и восстанавливаемые источники: вода, ветер, Солнце.

Развитие экономики, уровень благосостояния людей находятся в прямой зависимости от количества потребляемой энергии. Многие виды трудовой деятельности основаны на потреблении энергии. Для добычи руды, выплавки из нее металла, для строительства дома и т.д. — везде нужна энергия. Энергетические потребности постоянно растут, потребителей энергии становится все больше — все это приводит к необходимости увеличения объемов производимой энергии.

Природные энергоресурсы — один из основных источников процветания жизни. В качестве примера можно назвать нефть, добываемую в Арабских Эмиратах. Эту когда-то отсталую страну нефтяные энергоресурсы вывели на современный уровень развития.

Очевидно, невозобновляемые энергоресурсы: нефть, газ, уголь — небезграничны. В естественных условиях они формировались сотни миллионов лет, а будут исчерпаны в течение десятков—сотен лет при современных темпах их потребления. Поэтому наряду с рациональным использованием энергии необходимо искать ее новые виды источников и повышать эффективность преобразования и потребления энергии.

Альтернативные источники энергии.

На пороге ХХI века человек все чаще и чаще стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре.[2] Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одним из главных факторов при разработке новых технологий. Попросту говоря, без освоения различных видов энергии человек не способен полноценно существовать. Человек прошел путь от первого костра до атомных электростанций, освоил добычу основных традиционных энергетических ресурсов: угля, нефти и газа, научился использовать энергию рек, освоил “мирный атом”, но все активнее обсуждаются вопросы использования новых, нетрадиционных, альтернативных видов энергии.

По оценкам специалистов, мировые ресурсы угля составляют 15, а по неофициальным данным — 30 трлн тонн, нефти — 300 млрд тонн, газа — 220 трлн кубометров. Разведанные запасы угля составляют 1685 млрд тонн, нефти — 137 млрд тонн, газа — 142 трлн кубометров. Почему же наблюдается тенденция к освоению альтернативных видов энергии при таких, казалось бы, внушительных цифрах, притом, что в последние годы в шельфовых зонах морей открыты огромные запасы нефти и газа? Есть несколько ответов на этот вопрос.

Во-первых, непрерывный рост промышленности как основного “клиента” энергетической отрасли. Существует точка зрения, что при нынешней ситуации запасов угля хватит примерно на 270 лет, нефти — на 35-40 лет, газа — на 50 лет. Во-вторых, необходимость значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, так как часто эти работы связаны с организацией глубокого бурения (в частности, в морских условиях) и другими сложными и наукоемкими технологиями. И, в-третьих — экологические проблемы, связанные с добычей энергетических ресурсов.

В настоящее время выдвигается множество различных идей и предложений по использованию всевозможных возобновляемых видов энергии. Разработка некоторых проектов еще только начинается. Так, существуют предложения по использованию энергии разложения атомных частиц, искусственных смерчей и даже энергии молнии. Проводятся эксперименты по использованию “биоэнергетики” — например, энергии парного молока для обогрева коровников.

Но существуют и “традиционные” виды альтернативной энергии. Это энергия Солнца и ветра, энергия морских волн, приливов и отливов. Есть проекты преобразования в электроэнергию газа, выделяющегося на мусорных свалках, а также из навоза на звероводческих фермах. Основным видом “бесплатной” неиссякаемой энергии по справедливости считается Солнце. В Солнце сосредоточено 99, 886% всей массы Cолнечной системы. Солнце ежесекундно излучает энергию в тысячи миллиардов раз большую, чем при ядерном взрыве 1 кг U235.
Солнце — неисчерпаемый источник энергии — ежесекундно дает Земле 80 тысяч миллиардов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Нужно только уметь пользоваться им. Например, Тибет — самая близкая к Солнцу часть нашей планеты — по праву считает солнечную энергию своим богатством. На сегодня в Тибетском автономном районе Китая построено уже более 50 тыс. гелиопечей. Солнечной энергией отапливаются жилые помещения площадью 150 тыс. м 2, созданы гелиотеплицы общей площадью в миллион квадратных метров.

Хотя солнечная энергия и бесплатна, получение электричества из нее не всегда достаточно дешево. Поэтому специалисты непрерывно стремятся усовершенствовать солнечные элементы и сделать их эффективнее. Компактная передвижная электростанция при собственном весе 500 кг имеет мощность 4 кВт, иначе говоря, способна полностью обеспечить электротоком достаточной мощности загородное жилье. Это довольно хитроумный агрегат, где энергию вырабатывают сразу два устройства — ветрогенератор нового типа и комплект солнечных панелей. Первый оснащен тремя полусферами, которые (в отличие от обычного ветрового колеса) вращаются при малейшем движении воздуха, второй — автоматикой, аккуратно ориентирующей солярные элементы на светило. Добытая энергия накапливается в аккумуляторном блоке, а тот стабильно снабжает током потребителей.
На первый взгляд ветер кажется одним из самых доступных и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца, он может работать зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер — это очень рассеянный энергоресурс. Природа не создала “месторождения” ветров и не пустила их, подобно рекам, по руслам. Ветровая энергия практически всегда “размазана” по огромным территориям. Основные параметры ветра — скорость и направление — меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее надежным, чем Солнце. Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра.

Во-первых, это возможность “ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом. Существуют интересные разработки по созданию принципиально новых механизмов для преобразования энергии ветра в электрическую. Одна из таких установок порождает искусственный сверхураган внутри себя при скорости ветра в 5 м/с.
Следует заметить, что использование источников альтернативных, возобновляемых видов энергии может достаточно эффективно снизить процент выбросов в атмосферу вредных веществ, то есть в какой-то степени решить одну из важных экологических проблем. Энергия моря может с полным основанием быть причислена к таким источникам.
Энергия малых рек также в ряде случаев может стать источником электроэнергии. Возможно, для использования этого источника необходимы специфические условия (например, речки с сильным течением), но в ряде мест, где обычное электроснабжение невыгодно, установка мини-ГЭС могла бы решить множество локальных проблем. Бесплотинные ГЭС для речек и речушек уже существуют. В комплекте с аккумулятором она обеспечит энергией крестьянское хозяйство или геологическую экспедицию, отгонное пастбище или небольшую мастерскую.

Роторная установка диаметром 300 мм и весом всего 60 кг выводится на стремнину, притапливается на придонную “лыжу” и тросами закрепляется с двух берегов. Остальное — дело техники: мультипликатор вращает автомобильный генератор постоянного тока напряжением 14В, и энергия аккумулируется.
Бесплотинная мини-ГЭС успешно зарекомендовала себя на речках и доработана до уровня опытного образца.

Одним из наиболее необычных видов использования отходов человеческой деятельности является получение электроэнергии из мусора. Проблема городских свалок стала одной из наиболее актуальных проблем современных мегаполисов. Но, оказывается, их можно еще использовать для производства электроэнергии. Когда построенная для сжигания мусора и одновременной выработки электроэнергии для 15.000 домов печь стала получать недостаточно топлива, было решено восполнить его мусором с уже закрытых свалок. При этом объем закрытых свалок сокращается на 78%.
Разлагаясь на свалках, мусор выделяет газ, 50-55% которого приходится на метан, а 45-50% — на углекислый газ и около одного процента — на другие соединения. Если раньше выделяемый газ просто отравлял воздух, то теперь его начинают использовать в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания с целью выработки электроэнергии. Станция мощностью 12 МВт способна удовлетворить потребность в электроэнергии жителей 20 тысяч домов. Поэтому стоит задуматься над проблемой вторичного использования мусора. При наличии эффективной технологии можно сократить количество мусорных “курганов”, а заодно значительно пополнить и восполнить запасы энергии.

Казалось бы, что может быть неприятнее навоза? С загрязнением водоемов отходами звероводческих хозяйств связано много проблем. Большие количества органического вещества, попадающие в водоемы, способствуют их старению.

Известно, что теплоцентрали — активные загрязнители окружающей среды, свинофермы и коровники — тоже. В то же время разработана технология переработки навоза свиней в электроэнергию. Отходы идут по трубопроводу на электростанцию, где в специальном реакторе подвергаются биологической переработке. Образующийся газ используется для получения электроэнергии, а переработанные бактериями отходы — для удобрения. Перерабатывая ежедневно 70 тонн навоза, можно получить 40 кВт энергии.
Кроме замены традиционных источников энергии альтернативными, существуют проекты по созданию экологически чистых и сбалансированных городов и деревень будущего. Основой для их создания будет служить применение экономичных материалов, а также оптимальный режим использования энергии, который смогут поддерживать с помощью компьютерных программ.
Тепловые насосы и узел нагрева воды вмонтированы в дом на заводе-изготовителе. Принцип экономного вторичного обогрева таков: из использованного воздуха ванной комнаты, кухни и подсобок тепловая энергия возвращается в систему отопления традиционного типа и утилизируется водогрейным котлом. Дополнительные калории от внешних источников газа или жидкого топлива отбираются для этих целей лишь по мере необходимости. Особые клапаны в наружных стенах, снабженные противопылевым фильтром и входящие в комплект установки, обеспечивают подвод чистого воздуха и равномерную безвытяжную смену его в доме. Это достижение компьютерной теплотехники предназначено, прежде всего, для односемейных домов, например, для загородных коттеджей, и наполовину сокращает обычный расход энергии.

Чтобы оптимально использовать солнечный свет, “умные” дома сами станут регулировать внутреннюю температуру. Это позволяет как новая технология, так и сами материалы — каркас из алюминия и поликарбоната с огромными застекленными поверхностями, где циркулирует прозрачная жидкость. Получится своеобразный щит, впускающий солнечный свет, но удерживающий тепло. Температура зимой и летом будет одинаковая — 20°-22°. Избыток энергии поступит в термический теплонакопитель. Электроэнергию станут вырабатывать также ветряные мельницы и солнечные батареи, избыток ее, опять же, сберегут огромные аккумуляторы. Биоочистная установка превратит органические отходы — мусор и сточные воды — в метан, преобразуемый затем в электричество. Структура здания гарантирует сохранность свыше 85% энергии. На гигантской биоферме можно выращивать продукты сельского хозяйства.
Однако такие проекты пока невозможно реализовать в значительных масштабах. До серийного производства “умных” экологически чистых домов еще далеко, но уже сейчас реализация некоторых проектов (постройка мини-ГЭС, солнечных, ветровых, мусорных электростанций) вполне реальна. Ведь очень важно, будут ли использоваться традиционные ресурсы в таком объеме, как сейчас, или люди перейдут на источники, возобновляемые самой природой.

Будущие источники энергии

Каких только источников энергии не существует! Нефть, газ, уголь, возобновляемые источники, радиоизотопные, геотермальная энергия, но есть и самые современные источники, такие как водород.

Водородная энергетика относится к нетрадиционным источникам энергии и считается одной из самых экологически чистых в мире, так как продуктом сгорания водорода в кислороде является вода, которая в итоге вновь вводится в оборот водородной энергетики. [3]

По состоянию на 2005 год объем мирового производства водорода составлял 50 млн. тонн. К настоящему времени он равен 55-60 млн. тонн.[4] Водород в основном применяют для производства азотных удобрений и для превращения низкокачественных видов сырой нефти в моторное топливо. Сжиженный водород используют для получения сверхнизких температур и в качестве горючего для криогенных ракетных двигателей. Постоянно ведутся исследования, призванные более широко внедрить использование водородное топливо в качестве замены бензину.

Так, например, в конце 2007 года Университет Пенсильвании объявил, что разработал технологию по производству водородного топлива из пищевых отходов. Новая технология производства водородного топлива теоретически может привести к массовому переходу автомобилей на водородное топливо.

У водорода есть множество очевидных достоинств. Водород полностью сгорает в кислороде, выделяя большое количество энергии и оставляя после себя только водяной пар. Его легко транспортировать по трубопроводам практически на любые расстояния, тем более, что он не ядовит (хотя и взрывоопасен) и не обладает коррозирующим действием. Запасы водорода (как компонента воды) практически неограниченны и более или менее равномерно распределены по всем континентам. Водород представляется идеальным горючим для относительно маломощных и в то же время многочисленных силовых установок, размещенных на подвижных платформах - прежде всего для автомобильных и авиационных двигателей.

Однако при всех этих несомненных преимуществах водорода его массовое использование в качестве топлива будет сопряжено с множеством сложнейших проблем. Их решение потребует очень крупных средств, которые придется затратить как на разработку высокоэффективных технологий получения и утилизации водорода, так и на создание инфраструктуры для его промышленного производства, доставки, хранения и распределения. Эти средства неизбежно придется отбирать у других насущно важных проектов, что потребует немалой политической воли и готовности принимать рискованные решения.

На протяжении тысячелетий люди воевали друг с другом. Простые палки, потом копья, мечи, луки, дальше огнестрельное оружие и, наконец, термоядерное оружие. Но на протяжении всей истории человечества наряду с изобретениями новых средств разрушения люди создавали и то, что улучшало и облегчало им жизнь, очень часто адаптируя военные разработки для мирных целей. Так и с термоядерным оружием, в основе которого лежит термоядерный синтез [5] , – учёные проводили и продолжают проводить исследования по укрощению термоядерной энергии, с целью использования её в качестве альтернативы современным источникам энергии, которые обладают той особенностью, что их запасы конечны и исчерпаются в обозримом будущем.

В современном мире ядерное оружие играет самую важную роль в сохранении мира на земле, и, как это ни парадоксально, одновременно являясь способом его погубить. В то время как управляемый термоядерный синтез, поможет человечеству выжить в будущем, оставшись в обозримом будущем одним из немногих источников энергии на Земле.

Согласно общей теории если частицы, обладающие собственной энергией, приблизить друг к другу до расстояний, при которых начинают действовать ядерные силы, то образуется целостная система, энергетически более выгодная (с меньшей внутренней энергией), чем исходная система разрозненных частиц. При этом излишек исходной энергии частиц высвобождается в форме энергии связи, которая может придать определенную скорость образовавшемуся ядру, то есть разогреть получившееся в итоге вещество.

Условия, необходимые для реакции ядерного синтеза, возникают, например, в недрах звезд, где гравитационное сжатие вещества приводит к его разогреву до таких температур, при которых отдельные ядра могут преодолевать силы кулоновского отталкивания и сближаться друг с другом до критических расстояний. Аналогичные условия могут возникать при взрыве атомной бомбы. При этом реакция расщепления урана создает условия, аналогичные условиям в недрах звезд, после чего начинается реакция синтеза, например, ядер гелия из ядер водорода. На этом принципе основано действие термоядерной бомбы.

Заключение

В последнее время все отчетливее проявляются признаки энергетического кризиса, выход из которого возможен только при правильном, научно обоснованном развитии энергетики.

За время развития цивилизации традиционные источники энергии уступали место новым. И не потому, что традиционный источник был исчерпан. Солнце светило и обогревало человека всегда, и тем не менее люди, однажды приручившие огонь, начали жечь древесину. Запасы древесины не исчезли, но паровые машины требовали более калорийного топлива, каким оказался каменный уголь. Уголь вскоре уступает свое лидерство нефти. В наши дни основные виды топлива — нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Во второй половине XX в. освоен новый источник энергии — ядерное топливо, которое по своей энергоемкости превосходит все известные виды топлива. Энергетика очень быстро аккумулирует все самые новейшие идеи, изобретения и достижения естествознания. Это позволит в ближайшем будущем не только повысить эффективность традиционных источников энергии, но и развивать энергохимию, водородную энергетику и постепенно переходить к возобновляемым и принципиально новым источникам энергии.

Список использованной литературы

1.Карпенков С.Х.К 26 Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов/ С.Х. Карпенков. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2003. — 406 с:

2.http://medem.kiev.ua/page.php?pid=644

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Водородная_энергетика

4.http://www.immigrantclub.net/vodorod.php

5.http://www.quantum-tech.ru/termoyadernyisintez.html

[1] Карпенков С.Х. К 26 Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов/ С.Х. Карпенков. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2003. — 367 с:

[2] http://medem.kiev.ua/page.php?pid=644

[3] http://ru.wikipedia.org/wiki/Водородная_энергетика

[4] http://www.immigrantclub.net/vodorod.php

[5] http://www.quantum-tech.ru/termoyadernyisintez.html