Экологические проблемы энергетики

2. Уменьшение  поступления соединений серы  в атмосферу посредством предварительного  обессеривания (десульфурации) углей  и других видов топлива химическими или физическими методами. Этими методами удается извлечь из топлива от 50 до 70% серы до момента его сжигания.

3. Большие и  реальные возможности уменьшения  или стабилизации поступления  загрязнений в среду связаны  с экономией электроэнергии. Особенно велики такие возможности за счет снижения энергоемкости получаемых изделий. Не менее реальна экономия энергии за счет уменьшения металлоемкости продукции, повышения ее качества и увеличения продолжительности жизни изделий. Перспективно энергосбережение за счет перехода на наукоемкие технологии, связанные с использованием компьютерных и других слаботочных устройств.

4. Возможности экономии энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий. Реальную экономию энергии дает замена ламп накаливания с КПД около 5% флуоресцентными, КПД которых в несколько раз выше. Крайне расточительно использование электрической энергии для получения тепла. Важно иметь в виду, что получение электрической энергии на ТЭС связано с потерей примерно 60-65% тепловой энергии, а на АЭС - не менее 70% энергии. Энергия теряется также при передаче ее по проводам на расстояние. Поэтому прямое сжигание топлива для получения тепла, особенно газа, намного рациональнее, чем через превращение его в электричество, а затем вновь в тепло.

5. Заметно повышается  также КПД топлива при его  использовании вместо ТЭС на  ТЭЦ. В последнем случае объекты  получения энергии приближаются  к местам ее потребления и  тем самым уменьшаются потери, связанные с передачей на расстояние. Наряду с электроэнергией на ТЭЦ используется тепло, которое улавливается охлаждающими агентами. При этом заметно сокращается вероятность теплового загрязнения водной среды. Наиболее экономично получение энергии на небольших установках типа ТЭЦ (иогенирование) непосредственно в зданиях. В этом случае потери тепловой и электрической энергии снижаются до минимума.

Альтернативные  источники получения энергии

Основные современные  источники получения энергии (особенно ископаемое топливо) можно рассматривать в качестве средства решения энергетических проблем на ближайшую перспективу. Это связано с их исчерпанием и неизбежным загрязнением среды. В этой связи важно познакомиться с возможностями использования новых источников энергии, которые позволили бы заменить существующие. К таким источникам относится энергия солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и других источников.

Солнце  как источник электрической энергии

Преобразование  солнечной энергии в электрическую  возможно посредством использования  фотоэлементов, в которых солнечная энергия индуцируется в электрический ток безо всяких дополнительных устройств. Хотя КПД таких устройств невелик, но они выгодны медленной изнашиваемостью вследствие отсутствия каких-либо подвижных частей. Основные трудности применения фотоэлементов связаны с их дороговизной и занятием больших территорий для размещения. Проблема в какой-то мере решаема за счет замены металлических фотопреобразователей энергии эластичными синтетическими, использования крыш и стен домов для размещения батарей, выноса преобразователей в космическое пространство и т. п.

В тех случаях, когда требуется получение небольшого количества энергии, использование  фотоэлементов уже в настоящее  время экономически целесообразно. В качестве примеров такого использования можно назвать калькуляторы, телефоны, телевизоры, кондиционеры, маяки, буи, небольшие оросительные системы и т. п. В странах с большим количеством солнечной радиации имеются проекты полной электрификации отдельных отраслей хозяйства за счет солнечной энергии. Получаемая таким путем энергия, особенно с учетом ее высокой экологичности, по стоимости оказывается более выгодной, чем энергия, получаемая традиционными методами. Солнечные станции подкупают также возможностью быстрого ввода в строй и наращивания их мощности в процессе эксплуатации простым присоединением дополнительных батарей-солнцеприемников. Второй путь преобразования солнечной энергии в электрическую связан с превращением воды в пар, который приводит в движение турбогенераторы. В этих случаях для энергонакопления наиболее часто используются энергобашни с большим количеством линз, концентрирующих солнечные лучи, а также специальные солнечные пруды. Сущность последних заключается в том, что они состоят из двух слоев воды: нижнего с высокой концентрацией солей и верхнего, представленного прозрачной пресной водой. Роль материала, накапливающего энергию, выполняет солевой раствор. Нагретая вода используется для обогрева или превращения в пар жидкостей, кипящих при невысоких температурах. Солнечная энергия в ряде случаев перспективна также для получения из воды водорода, который называют «топливом будущего». Разложение воды и высвобождение водорода осуществляется в процессе пропускания между электродами электрического тока, полученного на гелеустановках. Недостатки таких установок пока связаны с невысоким КПД (энергия, содержащаяся в водороде, лишь на 20% превышает ту, которая затрачена на электролиз воды) и высокой воспламеняемостью водорода, а также его диффузией через емкости для хранения.

Использование солнечной энергии через фотосинтез и биомассу

В биомассе концентрируется  ежегодно меньше 1% потока солнечной  энергии.

Однако эта  энергия существенно превышает  ту, которую получает человек из различных источников в настоящее  время и будет получать в будущем.

Самый простой  путь использования энергии фотосинтеза - прямое сжигание биомассы. Более оправданной, однако, является переработка биомассы в другие виды топлива, например в  биогаз или этиловый спирт. Первый является результатом анаэробного (без доступа кислорода), а второй аэробного (в кислородной среде) брожения. Имеются данные, что молочная ферма на 2 тысячи голов способна за счет использования отходов обеспечить биогазом не только само хозяйство, но и приносить ощутимый доход от реализации получаемой энергии. Большие энергетические ресурсы сконцентрированы также в канализационном иле, мусоре и других органических отходах. Спирт, получаемый из биоресурсов, все более широко используют в двигателях внутреннего сгорания. Ограничивающими факторами для использования спирта в качестве энергоносителя являются недостаток земель для получения органической массы и загрязнение среды при производстве, а также значительная дороговизна.

Для России, где  большое количество древесины, особенно лиственных видов, практически не используется, весьма перспективным является получение спирта из этой биомассы по технологиям, в основе которых лежит гидролиз. В последнее время в литературе появились термины «энергетические культуры», энергетический лес». Под ними понимаются фитоценозы, выращиваемые для переработки их биомассы в газ или жидкое горючее. Под «энергетические леса» обычно отводятся земли, на которых по интенсивным технологиям за короткие сроки (5-10 лет) выращивается и снимается урожай быстрорастущих видов деревьев. В целом же биотопливо можно рассматривать как существенный фактор решения энергетических проблем если не в настоящее время, то в будущем. Основное преимущество этого ресурса - его постоянная и быстрая возобновимость, а при грамотном использовании и неистощимость.

Ветер как источник энергии

Ветер, как и  движущаяся вода, являются наиболее древними источниками энергии. Интерес к использованию ветра для получения электроэнергии оживился и в последние годы. К настоящему времени испытаны ветродвигатели различной мощности, вплоть до гигантских. Сделаны выводы, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности. Вместе с тем стало очевидным, что гигантские ветроустановки пока не оправдывают себя вследствие дороговизны сооружений, сильных вибраций, шумов, быстрого выхода из строя. Более экономичны комплексы из небольших ветротурбин, объединяемых в одну систему. Кроме неисчерпаемости ресурса и высокой экологичности производства, к достоинствам ветротурбин относится невысокая стоимость получаемой на них энергии. Она здесь в 2-3 раза ниже, чем на ТЭС и АЭС.

Возможности использования нетрадиционных гидроресурсов

Гидроресурсы  продолжают оставаться важным потенциальным  источником энергии при условии  использования более экологичных, чем современные, методов ее получения. Например, крайне недостаточно используются энергетические ресурсы средних и малых рек (длина от 10 до 200 км). В прошлом именно малые и средние реки являлись важнейшим источником получения энергии. Небольшие плотины на реках не столько нарушают, сколько оптимизируют гидрологический режим рек и прилежащих территорий. Их можно рассматривать как пример экологически обусловленного природопользования, мягкого вмешательства в природные процессы. Имеются расчеты, что на мелких и средних реках можно получать не меньше энергии, чем ее получают на современных крупных ГЭС. В настоящее время имеются турбины, позволяющие получать энергию, используя естественное течение рек, без строительства, плотин, легко монтируемых на реках и при необходимости перемещаемых в другие места. Хотя стоимость получаемой на таких установках энергии заметно выше, чем на крупных ГЭС, ТЭС или АЭС, но высокая экологичность делает целесообразным ее получение.

Энергетические  ресурсы морских, океанических и термальных вод

Большими энергетическими  ресурсами обладают водные массы  морей и океанов. К ним относится  энергия приливов и отливов, морских  течений, а также градиентов температур на различных глубинах. В настоящее  время эта энергия используется в крайне незначительном количестве из-за высокой стоимости получения. В мире пока действуют две-три приливно-отливные электростанции. Однако, кроме высокой стоимости энергии, электростанции такого типа нельзя отнести к высокоэкологичным. При их строительстве плотинами перекрываются заливы, что резко изменяет экологические факторы и условия обитания организмов.

В океанических водах для получения энергии  можно использовать разности температур на различных глубинах. В теплых течениях, например в Гольфстриме, они достигают 20°С.. В основе принципа лежит применение жидкостей, кипящих и конденсирующихся при небольших разностях температур. Теплая вода поверхностных слоев используется для превращения жидкости в пар, который вращает турбину, холодные глубинные массы - для конденсации пара в жидкость. Трудности связаны с громоздкостью сооружений и их дороговизной. Установки такого типа находятся пока на стадии испытаний. Несравнимо более реальны возможности использования геотермальных ресурсов. В данном случае источником тепла являются разогретые воды, содержащиеся в недрах земли. В отдельных районах такие воды изливаются на поверхность в виде гейзеров. Геотермальная энергия может использоваться как в виде тепловой, так и для получения электричества. Уже в настоящее время отдельные города или предприятия обеспечиваются энергией геотермальных вод. Это, в частности, относится к столице Исландии - Рейкьявику. Значительные ресурсы геотермальных вод имеются лишь в России на Камчатке, но используются они пока в небольшом объеме.

Термоядерная  энергия

Современная атомная  энергетика базируется на расщеплении  ядер атомов на два более легких с выделением энергии пропорционально  потере массы. Источником энергии и  продуктами распада при этом являются радиоактивные элементы. С ними связаны основные экологические проблемы ядерной энергетики. Еще большее количество энергии выделяется в процессе ядерного синтеза, при котором два ядра сливаются в одно более тяжелое, но также с потерей массы и выделением энергии. Исходными элементами для синтеза является водород, конечным - гелий. Оба элемента не оказывают отрицательного влияния на среду и практически неисчерпаемы. Результатом ядерного синтеза является энергия солнца. Человеком этот процесс смоделирован при взрывах водородных бомб. Задача состоит в том, чтобы ядерный синтез сделать управляемым, а его энергию использовать целенаправленно. Основная трудность заключается в том, что ядерный синтез возможен при очень высоких давлениях и температурах около 100 млн. °С. Отсутствуют материалы, из которых можно изготовить реакторы для осуществления сверхвысокотемпературных (термоядерных) реакций. Любой материал при этом плавится и испаряется. Для этого в настоящее время испытываются два пути. Один из них основан на удержании водорода в сильном магнитном поле. Установка такого типа получила название ТОКАМАК (Тороидальная камера с магнитным полем). Такая камера разработана в российском институте им. Курчатова. Второй путь предусматривает использование лазерных лучей, за счет которых обеспечивается получение нужной температуры, в места концентрации которых подается водород. Несмотря на некоторые положительные результаты по осуществлению управляемого ядерного синтеза, высказываются мнения, что в ближайшей перспективе он вряд ли будет использован для решения энергетических и экологических проблем. Это связано с нерешенностью многих вопросов и с необходимостью колоссальных затрат на дальнейшие экспериментальные, а тем более промышленные разработки.

Практическая работа

Первым этапом моего исследования являлось анкетирование среди обучающихся разных классов нашей школы, проведенное с целью изучения осведомленности детей разного возрастного уровня по данной проблеме и того, насколько глубоко они осознают эту проблему. Вопросы анкетирования были следующими:

1. Назовите традиционные источники электрической энергии.
2. Какие виды альтернативных источников электрической энергии вы знаете?
3. Что можно сделать обучающимся для экономии электрической энергии?
4. Какое воздействие на экологию оказывают традиционные источники электроэнергии?
5. Каково действие альтернативных видов электрической энергии на экологию?
6. Сколько по вашему мнению времени бесполезно потребляется электроэнергия на освещение в вашем доме?