Нетрадиционные источники энергии

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Реферат на тему нетрадиционные источники энергии.

П л, а н р е ф е р, а т а.

*********************************

1. План реферата… 2

2. Вступление… 3

3. Что такое энергия … 6

4. Энергия солнца… 8

5. Ветровая энергия… 10

6. Энергия рек… 11

7. Энергия Земли… 12

8. Энергия океана… 14

9. Атомная энергия… 25

10. Заключение… 27

11. Список литературы… 28

12. Приложения… 29

Вступление.

***********

Почему же именно сейчас, как никогда остро, встал вопрос: что ждет человечество — энергетический голод или энергетичес- кое изобилие? Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцвета- ют и беднеют государства, сменяются правительства. К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о запуске новых ус- тановок или о новых изобретениях в области энергетики. Разра- батываются гигантские энергетические программы, осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных затрат.

Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас энергия — энергетическая — играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Вполне реален прогноз, по которому в 2000 году будет произведено 30 тысяч миллиардов киловатт-часов! Гигант- ские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии будет мало-потребности в ней растут еще быстрее.

Уровень материальной, а в конечном счете и духовной куль- туры людей находится в прямой зависимости от количества энер- гии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израс- ходовать 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 по- надобится! Такое, казалось бы, очевидное решение сложной зада- чи, оказывается, таит в себе немало подводных камней.

Неумолимые законы природы утверждают, что получить энер- гию, пригодную для использования, можно только за счет ее пре- образований из других форм. Вечные двигатели, якобы производя- щие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложи- лась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем же способом, которым поль- зовался первобытный человек для согревания, то есть при сжига- нии топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых элект- ростанциях.

Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее.

Новые факторы — возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды- потребовали нового подхода к энергетике.

В разработке Энергетической программы приняли участие виднейшие ученые нашей страны, специалисты различных минис- терств и ведомств. С помощью новейших математических моделей электронно-вычислительные машины рассчитали несколько сотен вариантов структуры будущего энергетического баланса страны. Были найдены принципиальные решения, определившие стратегию развития энергетики страны на грядущие десятилетия.

Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах, струк- тура ее изменится. Должно сократиться использование нефти. Су- щественно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется использование пока еще не тронутых гигантских запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канс- ко-Ачинском, Экибаcтузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ, запасы которого в стране намного превосходят запасы в других странах.

Энергетическая программа страны-основа нашей техники и экономики в канун 21 века.

Но ученые заглядывают и вперед, за пределы сроков, уста- новленных Энергетической программой. На пороге 21 века, и они трезво отдают себе отсчет 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 лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запа- сов топлива может хватить на века. К сожалению, многие нефте- добывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещадно расходу- ют подаренные им природой нефтяные запасы. Сейчас многие из этих стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь, что через несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда- а это рано или поздно случится,-когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Происшедшее повышение цен на нефть, необходимую не только энергетике, но и транспорту, и химии, заставило заду- маться о других видах топлива, пригодных для замены нефти и газа. Особенно призадумались тогда те страны, где нет собс- твенных запасов нефти и газа и которым приходится их покупать.

А пока в мире все больше ученых инженеров занимаются по- исками новых, нетрадиционных источников, которые могли бы взять на себя хотя бы часть забот по снабжению человечества энергией. Решение этой задачи исследователи ищут на разных пу- тях. Самым заманчивым, конечно, является использование вечных, возобновляемых источников энергии-энергии текущей воды и вет- ра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, солнца. Много внимания уделяется развитию атомной энергетики, ученые ищут способы воспроизведения на Земле процессов, протекающих в звездах и снабжающих их колоссальными запасами энергии.

ЧТО ТАКОЕ ЭНЕРГИЯ

*******************

В нашем индустриальном обществе от энергии зависит все. С ее помощью движутся автомобили, улетают в космос ракеты. С ее помощью можно поджарить хлеб, обогреть жилище и привести в действие кондиционеры, осветить улицы, вывести в море корабли.

Могут сказать что энергией являются нефть и природный газ. Однако это не так. Чтобы освободить заключенную в них энергию, их необходимо сжечь, так же как бензин, уголь или дрова.

Ученые могут сказать, что энергия — способность к совер- шению работы, а работа совершается, когда на объект действует физическая сила (такая, как давление или гравитация). Сог- ласно формуле A=F*S, работа равна произведению силы на расс- тояние, на которое переместился объект. Попросту говоря, рабо- та — это энергия в действии.

Вы не раз видели, как подпрыгивает крышка закипающего ко- фейника, как несутся санки по склону горы, как набегающая вол- на приподнимает плот. Все это примеры работы, энергии в дейс- твии, действующей на предметы.

Подпрыгивание крышки кофейника было вызвано давлением па- ра, возникшем при нагревании жидкости. Санки ехали потому, что существуют гравитационные силы. Энергия волн двигала плот.

В нашем работающем мире основой всего является энергия, без нее и не будет совершаться работа. Когда энергия имеется в наличии и может быть использована, любой объект будет совер- шать работу — иногда созидательную, иногда разрушительную. Да- же музыкальный инструмент — рояль — способен совершать работу.

Представьте себе, что вдоль внешней стены многоквартирно- го дома поднимают рояль. Пока люди тянут за за веревки, они прилагают силу, заставляющую рояль двигаться. В этом случае работу совершают люди, а не рояль. Он лишь накапливает потен- циальную энергию по мере того, как все выше и выше поднимается над землей. Когда, наконец, рояль достигает пятого этажа, он он сможет висеть на этом уровне до тех пор, пока люди внизу поддерживают его с помощью веревок и блоков. Однако представь- те, что веревки обрываются. Немедленно проявится сила гравита- ции, и потенциальная энергия, накопленная роялем, начнет выс- вобождаться. Рояль рухнет вниз. Он расплющит все, что попада- ется на его пути, удариться о тротуар и разобьется вдребезги. Вся ситуация, разумеется, случайна, и тем не менее служит при- мером того, что и рояль может совершать работу. В данном слу- чае — разрушительную, но все же работу.

Мир наполнен энергией, которая может быть использована для совершения работы разного характера. Энергия может нахо- диться в людях и животных, в камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах. Однако самыми большими резервуарами накопленной энергии являются океаны — огромные пространства беспрерывно перемещающихся водных пото- ков, покрывающих около 71% всей земной поверхности.

ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА

****************

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

Потенциальные возможности энергетики, основанной на ис- пользовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Заметим, что использование всего лишь 0. 0125% этого ко- личества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0.5% - пол- ностью покрыть потребности на перспективу.

К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенци- альные 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. По- этому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали «за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей че- ловечества нужно разместить их на территории 130 000 км2 !

Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жид- костью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной кол- лектором, жидкость поступает для непосредственного использова- ния. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного из- лучения площадью 1 км², требует примерно 104 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оценива- ются в 1. 17*109 тонн.

Из написанного ясно, что существуют разные факторы, огра- ничивающие мощность солнечной энергетики. Предположим, что в будущем для изготовления коллекторов станет возможным приме- нять не только алюминий, но и другие материалы. Изменится ли ситуация в этом случае? Будем исходить из того, что на от- дельной фазе развития энергетики (после 2100 года) все миро- вые потребности в энергии будут удовлетворяться за счет сол- нечной энергии. В рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется «собирать «солнечную энергию на площади от 1*106 до 3*106 км2. В то же время общая площадь пахотных зе- мель в мире составляет сегодня 13*106 км2.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение пот- ребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изго- товление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их пере- возки. Подсчеты показывают, что для производства 1 МВт*год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребу- ется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традици- онной энергетике на органическом топливе этот показатель сос- тавляет 200−500 человеко-часов.

Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными луча- ми, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они прове- дут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Ветровая энергия.

*****************

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры-от легко- го ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могу- чих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всег- да неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. 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, обжи- вающим эти богатейшие края. Почему же столь обильный, доступ- ный да и экологически чистый источник энергии так слабо ис- пользуется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрыва- ют всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

Техника 20 века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики, задача которой стала другой-получение элект- роэнергии. В начале века Н. Е. Жуковский разработал теорию вет- родвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроиз- водительные 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 лю- бой ветроэнергетической установки-привлекаются специалисты-са- молетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный про- филь лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усили- ями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Энергия рек.

************

Многие тысячелетия верно служит человеку энергия, заклю- ченная в текущей воде. Запасы ее на Земле колоссальны. Недаром некоторые ученые считают, что нашу планету правильнее было бы называть не Земля, а Вода-ведь около трех четвертей поверхнос- ти планеты покрыты водой. Огромным аккумулятором энергии слу- жит Мировой океан, поглощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. Здесь плещут волны, происходят приливы и отли- вы, возникают могучие океанские течения. Рождаются могучие ре- ки, несущие огромные массы воды в моря и океаны. Понятно, что человечество в поисках энергии не могло пройти мимо столь ги- гантских ее запасов. Раньше всего люди научились использовать энергию рек.

Но когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса, правда, уже в другом обличье-в виде водяной турбины. Электрические генераторы, производящие энергию, необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать вода, тем более что многовековой опыт у нее уже имелся. Можно считать, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 году.

Преимущества гидроэлектростанций очевидны-постоянно во- зобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуата- ции, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт пост- ройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую по- мощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидро- электростанции оказалась задачей куда более сложной, чем пост- ройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуется уложить такое кол-во материалов, что обьем гигантских египетс- ких пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным. Поэтому в начале 20 века было построено всего несколько гидроэлектрос- танций. Вблизи Пятигорска, на Северном Кавказе на горной реке Подкумок успешно действовала довольно крупная электростанция с многозначительным названием «Белый уголь «. Это было лишь нача- лом.

Уже в историческом плане ГОЭЛРО предусматривалось строи- тельство крупных гидроэлектростанций. В 1926 году в строй вош- ла Волховская ГЭС, в следующем-началось строительство знамени- той Днепровской. Дальновидная энергетическая политика, проводя- щаяся в нашей стране, привела к тому, что у нас, как ни в од- ной стране мира, развита система мощных гидроэлектрических станций. Ни одно государство не может похвастаться такими энергетическими гигантами, как Волжские, Красноярская и Братс- кая, Саяно-Шушенская ГЭС. Эти станции, дающие буквально океаны энергии, стали центрами, вокруг которых развились мощные про- мышленные комплексы.

Но пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергети- ческого потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, обра- зовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неисполь- зованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, че- ловечество получило бы дополнительно колоссальное кол-во энер- гии.

ЭНЕРГИЯ ЗЕМЛИ.

**************

Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унес- ших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощ- ность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится-нет пока у лю- дей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это про- явления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохот- ная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огне- дышащие жерла вулканов.

Маленькая европейская страна Исландия- «страна льда «в дословном переводе-полностью обеспечивает себя помидорами, яб- локами и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы по- лучают энергию от тепла земли-других местных источников энер- гии 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 под- земных источников (еще древние римляне к знаменитым баням-тер- мам Каракаллы-подвели воду из-под земли), жители этой малень- кой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно. Столица — Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источ- ников.

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, названном так в честь французского инжене- ра Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект исполь- зования многочисленных в этом районе горячих источников. Пос- тепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величи- ны-360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тысяч кило- ватт. В 120 километрах от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч кило- ватт.

ЭНЕРГИЯ МИРОВОГО ОКЕАНА.

************************

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссаль- ны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перег- реву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока что люди умеют утилизовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся ка- питаловложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ис- копаемых топлив (прежде всего нефти и газа), использование ко- торых к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды (включая сюда также и тепловое «загрязнение », и грозящее климатическими последствиями повышение уровня атмосферной уг- лекислоты), резкая ограниченность запасов урана (энергетичес- кое использование которых к тому же порождает опасные радиоак- тивные отходы) и неопределенность как сроков, так и экологи- ческих последствий промышленного использования термоядерной энергии заставляет ученых и инженеров уделять все большее вни- мание поискам возможностей рентабельной утилизации обширных и безвредных источников энергии и не только перепадов уровня во- ды в реках, но и солнечного тепла, ветра и энергии в Мировом океане.

Широкая общественность, да и многие специалисты еще не знают, что поисковые работы по извлечению энергии из морей и океанов приобрели в последние годы в ряде стран уже довольно большие масштабы и что их перспективы становятся все более обещающими.

Наиболее очевидным способом использования океанской энер- гии представляется постройка приливных электростанций (ПЭС). С 1967 г. в устье реки Ранс во Франции на приливах высотой до 13 метров работает ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с годовой отдачей 540 тыс. кВт*ч. Советский инженер Бернштейн разработал удобный способ способ постройки блоков ПЭС, буксируемых на плаву в нужные места, и рассчитал рентабельную процедуру включения ПЭС в энергосети в часы их максимальной нагрузки потребителями. Его идеи проверены на ПЭС, построенной в 1968 году в Кислой Губе около Мурманска; своей очереди ждет ПЭС на 6 млн. кВт в Мезенском заливе на Баренцевом море.

Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водо- рослей келп, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. По имеющимся оценкам, для полного обеспечения энергией каждого человека — потребителя достаточно одного гектара плантаций келпа.

Большое внимание приобрела «океанотермическая энергокон- версия «(ОТЭК), т. е. получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глу- бинными океанскими водами, например при использовании в замк- нутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей как про- пан, фреон или аммоний. В какой-то мере аналогичными, но как пока кажется, вероятно, более далекими представляются перспек- тивы получения электроэнергии за счет различия между соленой и пресной, например морской и речной водой.

Уже немало инженерного искусства вложено в макеты генера- торов электроэнергии, работающих за счет морского волнения, причем обсуждаются перспективы электростанций с мощностями на многие тысячи киловатт. Еще больше сулят гигантские турбины на таких интенсивных и стабильных океанских течениях, как Гольфс- трим.

Представляется, что некоторые из предлагавшихся океанских энергетических установок могут быть реализованы, и стать рен- табельными уже в настоящее время. Вместе с тем следует ожи- дать, что творческий энтузиазм, искусство и изобретательность научно-инженерных работников улучшить существующие и создадут новые перспективы для промышленного использования энергетичес- ких ресурсов Мирового океана. Думается, что при современных темпах научно-технического прогресса существенные сдвиги в океанской энергетике должны произойти в ближайшие десятилетия.

Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Она доступна и безопасна, и не загрязняет ок- ружающую среду, неиссякаема и свободна.

Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух и образует ветры, вызывающие волны. Она нагревает океан, кото- рый накапливает тепловую энергию. Она приводит в движение те- чения, которые в то же время меняют свое направление под воз- действием вращения Земли.

Из космоса же поступает энергия солнечного и лунного при- тяжения. Она является движущей силой системы Земля — Луна и вызывает приливы и отливы.

Океан — это не плоское, безжизненное водное пространство, а огромная кладовая беспокойной энергии. Здесь плещут волны, рождаются приливы и отливы, пересекаются течения, и все это наполнено энергией.

Бакены и маяки, использующие энергию волн, уже усеяли прибрежные воды Японии. В течение многих лет бакены — свистки береговой охраны США действуют благодаря волновым колебаниям. Сегодня вряд ли существует прибрежный район, где не было бы своего собственного изобретателя, работающего над созданием устройства, использующего энергию волн.

Начиная с 1966 года два французских города полностью удовлетворяют свои потреб- ности в электроэнергии за счет энергии приливов и от- ливов. Энергоустановка на реке Ранс (Бретань), состоя- щая из двадцати четырех ре- версивных турбогенераторов, использует эту энергию. Вы- ходная мощность установки

240 мегаватт — одна из наи- более мощных гидроэлектрос- танций во Франции.

В 70-х годах ситуация в энергетике изменилась. Каж- дый раз, когда поставщики на

Ближнем Востоке, в Африке и

Южной Америке поднимали цены на нефть, энергия приливов становилась все более прив- лекательной, так как она ус- пешно конкурировала в цене с ископаемыми видами топлива.

Вскоре за этим в Советском

Союзе, Южной Корее и Англии возрос интерес к очертаниям береговых линий и возможнос- тям создания на них энерго- установок. В этих странах стали всерьез подумывать об использовании энергии прили- вов волн и выделять средства на научные исследования в этой области, планировать их.

Не так давно группа ученых океанологов обратила внимание на тот факт, что Гольфстрим несет свои воды вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот по- ток теплой воды была весьма заманчивой.

Возможно ли это? Смогут ли гигантские турбины и подвод- ные пропеллеры, напоминающие ветряные мельницы, генерировать электричество, извлекая энергию из течений и воли ?

" Смогут «- таково в 1974 году было заключение Комите- та Мак-Артура, находящегося под эгидой Национального уп- равления по исследованию океана и атмосферы в Майами

(Флорида). Общее мнение зак- лючалось в том, что имеют место определенные пробле- мы, но все они могут быть ре- шены в случае выделения ассигнований, так как «в этом проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности современной ин- женерной и технологической мысли ».

Один из ученых, наиболее склонный к прогнозам на будущее, предсказал, что электричество, полученное при использовании энергии Гольфстрима, может стать конкурентоспособным уже в 80-е годы.

В океане существует замечательная среда для поддержания жизни, в состав которой входят питательные вещества, соли и дру- гие минералы. В этой среде растворенный в воде кислород питает всех морских животных от самых маленьких до самых больших, от амебы до акулы. Растворенный углекислый газ точно так же под- держивает жизнь всех морских растений от одноклеточных диато- мовых водорослей до достигающих высоты 200−300 футов (60−90 метров) бурых водорослей.

Морскому биологу нужно сделать лишь шаг вперед, чтобы пе- рейти от восприятия океана как природной системы поддержания жизни к попытке начать на научной основе извлекать из этой системы энергию.

При поддержке военно-морского флота США в середине 70-х годов группа специалистов в области исследования океана, морс- ких инженеров и водолазов создала первую в мире океанскую энергетическую ферму на глубине 40 футов (12 метров) под зали- той солнцем гладью Тихого океана вблизи города Сан-Клемент. Ферма была небольшая. По сути своей, все это было лишь экспе- риментом. На ферме выращивались гигантские калифорнийские бу- рые 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 при- мерно 100 000 акров (40 000 га), смогут давать энергию, кото- рой хватит, чтобы полностью удовлетворить потребности амери- канского города с населением в 50 000 человек ».

Океан всегда был богат энергией волн, приливов и течений. В древние времена, наблюдая движение водных потоков, рыбаки ничего не знали о «приливной энергии «или о «выращивании бурых водорослей », однако они знали, что выходить в море легче во время отлива, а возвращаться обратно — во время прилива. Им, конечно, было известно и о том, что иногда волны тяжело и страшно бьют о берег, выбрасывая камни на его скалы, и о «морских реках », которые всегда выносили их к нужным островам, и о том, что они всегда смогут прокормиться моллюсками, рако- образными, рыбой и съедобными водорослями, растущими в океа- не…

В наши дни, когда возросла необходимость в новых видах топлива, океанографы, химики, физики, инженеры и технологи об- ращают все большее внимание на океан как на потенциальный ис- точник энергии.

В океане растворено огромное количество солей. Может ли соленость быть использована, как источник энергии ?

Может. Большая концентрация соли в океане навела ряд исс- ледователей Скриппского океанографического института в Ла-Кол- ла (Калифорния) и других центров на мысль о создании таких ус- тановок. Они считают, что для получения большого количества энергии вполне возможно сконструировать батареи, в которых происходили бы реакции между соленой и несоленой водой.

Температура воды океана в разных местах различна. Между тропиком Рака и тропиком Козерога поверхность воды нагревается до 82 градусов по Фаренгейту (27 C). На глубине в 2000 футов (600 метров) температура падает до 35,36,37 или 38 градусов по Фаренгейту (2−3.5 С). Возникает вопрос: есть ли возможность использовать разницу температур для получения энергии? Могла бы тепловая энергоустановка, плывущая под водой, производить электричество ?

Да, и это возможно.

В далекие 20-е годы нашего столетия Жорж Клод, одаренный, решительный и весьма настойчивый французский физик, решил исс- ледовать такую возможность. Выбрав участок океана вблизи бере- гов Кубы, он сумел-таки после серии неудачных попыток получить установку мощностью 22 киловатта. Это явилось большим научным достижением и приветствовалось многими учеными.

Используя теплую воду на поверхности и холодную на глуби- не и создав соответствующую технологию, мы располагаем всем необходимым для производства электроэнергии, уверяли сторонни- ки использования тепловой энергии океана. «Согласно нашим оценкам, в этих поверхностных водах имеются запасы энергии, которые в 10 000 раз превышают общемировую потребность в ней ».

" Увы, — возражали скептики, — Жорж Клод получил в заливе Матансас всего 22 киловатта электроэнергии. Дало ли это при- быль? «Не дало, так как, чтобы получить эти 22 киловатта, Клоду пришлось затратить 80 киловатт на работу своих насосов.

Сегодня профессор Скриппского института океанографии Джон Исаакс делает вычисления более аккуратно. По его оценкам, сов- ременная технология позволит создавать энергоустановки, ис- пользующие для производства электричества разницу температур в океане, которые производили бы его в два раза больше, чем об- щемировое потребление на сегодняшний день. Это будет электроэ- нергия, производимая электростанцией, преобразующей термальную энергию океана (ОТЕС).

Конечно, это — прогноз ободряющий, но даже если он оправ- дается, результаты не помогут разрешению мировых энергетичес- ких проблем. Разумеется, доступ к запасам электроэнергии ОТЕС предоставляет великолепные возможности, но (по крайней мере пока) электричество не поднимает в небо самолеты, не будет двигать легковые и грузовые автомобили и автобусы, не поведет корабли через моря.

Однако самолеты и легковые автомобили, автобусы и грузо- вики могут приводиться в движение газом, который можно извле- кать из воды, а уж воды-то в морях достаточно. Этот газ — во- дород, и он может использоваться в качестве горючего. Водород- один из наиболее распространенных элементов во Вселенной. В океане он содержится в каждой капле воды. Помните формулу во- ды? Формула HOH значит, что молекула воды состоит из двух ато- мов водорода и одного атома кислорода. Извлеченный из воды во- дород можно сжигать как топливо и использовать не только для того, чтобы приводить в движение различные транспортные средс- тва, но и для получения электроэнергии.

Все большее число химиков и инженеров с энтузиазмом отно- сится к «водородной энергетике «будущего, так как полученный водород достаточно удобно хранить: в виде сжатого газа в тан- керах или в сжиженном виде в криогенных контейнерах при темпе- ратуре 423 градуса по Фаренгейту (-203 С). Его можно хранить и в твердом виде после соединения с железо-титановым сплавом или с магнием для образования металлических гидридов. После этого их можно легко транспортировать и использовать по мере необходимости.

Еще в 1847 году французский писатель Жюль Верн, опередив- ший свое время, предвидел возникновение такой водородной эко- номики. В своей книге «Таинственный остров «он предсказывал, что в будущем люди научатся использовать воду в качестве ис- точника для получения топлива. «Вода, — писал он, — представит неиссякаемые запасы тепла и света ».

Со времен Жюля Верна были открыты методы извлечения водо- рода из воды. Один из наиболее перспективных из них — электро- лиз воды. (Через воду пропускается электрический ток, в ре- зультате чего происходит химический распад. Освобождаются во- дород и кислород, а жидкость исчезает.)

В 60-е годы специалистам из НАСА удалось столь успешно осуществить процесс электролиза воды и столь эффективно соби- рать высвобождающийся водород, что получаемый таким образом водород использовался во время полетов по программе «Аполлон ».

Таким образом, в океане, который составляет 71 процент поверхности планеты, потенциально имеются различные виды энер- гии — энергия волн и приливов; энергия химических связей га- зов, питательных веществ, солей и других минералов; скрытая энергия водорода, находящегося в молекулах воды; энергия тече- ний, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях оке- ана; удивительная по запасам энергия, которую можно получать, используя разницу температур воды океана на поверхности и в глубине, и их можно преобразовать в стандартные виды топлива.

Такие количества энергии, многообразие ее форм гарантиру- ют, что в будущем человечество не будет испытывать в ней не- достатка. В то же время не возникает необходимости зависеть от одного — двух основных источников энергии, какими, например, являются давно использующиеся ископаемые виды топлива и ядер- ного горючего, методы получения которого были разработаны не- давно.

Более того, в миллионах прибрежных деревень и селений, не имеющих сейчас доступа к энергосистемам, будет тогда возможно улучшить жизненные условия людей.

Жители тех мест, где на море бывает сильное волнение, смогут конструировать и использовать установки для преобразо- вания энергии волн.

Живущие вблизи узких прибрежных заливов, куда во время приливов с ревом врывается вода, смогут использовать эту энер- гию.

Для всех остальных людей энергия океана в открытом водном пространстве будет преобразовываться в метан, водород или электричество, а затем передаваться на сушу по кабелю или на кораблях.

И вся эта энергия таится в океане испокон веков. Не ис- пользуя ее, мы тем самым попросту ее расточаем.

Разумеется, трудно даже представить себе переход от столь привычных, традиционных видов топлива — угля, нефти и природ- ного газа — к незнакомым, альтернативным методам получения энергии.

Разница температур? Водород, металлические гидриды, энергетические фермы в океане? Для многих это звучит как на- учная фантастика.

И тем не менее несмотря на то что извлечение энергии оке- ана находятся на стадии экспериментов и процесс ограничен и дорогостоящ, факт остается фактом, что по мере развития науч- но-технического прогресса энергия в будущем может в значитель- ной степени добываться из моря. Когда — зависит от того, как скоро эти процессы станут достаточно дешевыми. В конечном ито- ге дело упирается не в возможность извлечения из океана энер- гии в различных формах, а в стоимость такого извлечения, кото- рая определит, насколько быстро будет развиваться тот или иной способ добычи.

Когда бы это время ни наступило, переход к использованию энергии океана принесет двойную пользу: сэкономит общественные средства и сделает более жизнеспособной третью планету Солнеч- ной системы — нашу Землю.

Впервые удар по общественному карману был нанесен в 1973 году подъемом цен на ископаемые виды топлива. Особенно возрас- ли цены на нефть — основной вид топлива в XX веке, используе- мый в промышленности, сельском хозяйстве, для отопления. Вслед за этим произошло повышение уровня инфляции, а поскольку науч- ные исследования и эксперименты тоже требуют ассигнований, по- иски новых видов топлива подняли цены еще выше.

Ископаемые виды топлива истощаются, мы вынуждены их эко- номить и увеличивать энергообеспечение за счет строительства ядерных реакторов, которые требуют значительных финансовых затрат и вызывают опасения у людей, живущих вблизи. Конечно, энергопотребление снизится, если быть более экономными. В США, население которых составляет 5,3% от общемирового и где ис- пользуется 35% всех видов ископаемого топлива и и гидроэлект- роэнергии мира, потребление энергии может быть легко снижено до 30 — 32%, а то и до 25%. Существует даже мнение, что по справедливости Соединенные Штаты должны снизить потребление энергии до 5,3%.

Экономика, однако, лишь одна сторона дела. Другая сторона относится к странам развивающимся, которые стараются достичь уровня жизни промышленно развитых стран, определяющегося ис- пользованием большого количества энергии. Сегодня народы Азии, Африки и Латинской Америки стремятся перейти от общества, в котором используется в основном физический труд, к обществу с развитой индустрией.

Для того чтобы удовлетворить потребность в равноправном распределении дешевой энергии между всеми странами, потребует- ся такое ее количество, которое, возможно, в тысячи раз превы- сит сегодняшний уровень потребления, и биосфера уже не спра- вится с загрязнением, вызываемым использованием обычных видов топлива. Тем не менее президент Института исследований иссле- дований в области электроэнергии в Пало Альто (Калифорния) Чонси Старр полагает: «Необходимо признать, что мировое пот- ребление энергии будет развиваться именно в этом направлении и так быстро, как только позволят политические, экономические и технические факторы ».

Так как соревнование за обладание истощающимися видами топлива обостряется, расход общественных средств будет расти. Рост этот продолжится, так как необходимо бороться с загрязне- нием воздуха и воды, теплотой, выделяющейся при сгорании иско- паемых видов топлива.

Но стоит ли волноваться в поисках новых источников иско- паемого топлива? Зачем дискутировать по вопросу о строитель- стве ядерных реакторов? Океан наполнен энергией, чистой, бе- зопасной и неиссякаемой. Она там, в океане, только и ждет выс- вобождения. И это — преимущество номер один.

Второе преимущество заключается в том, что использование энергии океана позволит Земле быть в дальнейшем обитаемой пла- нетой. А вот альтернативный вариант, предусматривающий увели- чение использования органических и ядерных видов топлива, по мнению некоторых специалистов, может привести к катастрофе: в атмосферу станет выделяться слишком большое количество угле- кислого газа и теплоты, что грозит смертельной опасностью че- ловечеству.

" Пустяки, — усмехаются скептики. — Мы постоянно совер- шенствуем воздушные фильтры и очистные сооружения. Еще год-два — и фабричные дымовые трубы будут выпускать практически чистый воздух. Разве мы не очищаем выхлопные газы автомобилей? Скоро вы вообще забудете, что такое пары двуокиси серы. «

Тем не менее углекислый газ и теплота, выделяемые в ат- мосферу дымовыми трубами фабрик и других промышленных предпри- ятий, а иногда и большими многоквартирными комплексами, кото- рые используют ископаемые виды топлива, внушают большое беспо- койство.

Но кто заметит, что в воздухе стало больше углекислого газа? Он бесцветен и не имеет запаха. Он пузырится в прохла- дительных напитках. А кто заметит постепенное, медленное повы- шение атмосферной температуры Земли на один, два или три гра- дуса по Фаренгейту? Заметит планета, когда углекислый газ че- рез некоторое время окутает ее подобно одеялу, которое перес- танет пропускать избыточное тепло в космос.

Жак Кусто, пионер освоения и исследования океана, счита- ет: «Когда концентрация углекислого газа достигнет определен- ного уровня, мы окажемся как будто в парнике «. Это значит, что теплота, выделяемая Землей, будет задерживаться под слоем стратосферы. Накапливающееся тепло повысит общую температуру. А увеличение ее даже на один, два или три градуса по Фаренгей- ту приведет к таянию ледников. Миллионы тонн растаявшего льда поднимут уровень морей на 60 метров. Города на побережье и в долинах больших рек окажутся затопленными.

По данному вопросу, как и по многим другим, ученые разде- лились на два лагеря. В одном лагере считают, что утолщающееся одеяло угекислого газа вызовет повышение температуры и приве- дет к таянию ледников, то есть, по определению доктора Говарда Уилкокса, превратить Землю в парник. Сторонники другого лагеря полагают, что-то же самое одеяло будет преграждать путь теплу, излучаемому солнцем, что станет причиной наступления новой эры оледенения.

Итак, что же человечество должно делать? Будем ли мы ис- тощать остатки ископаемого топлива, строить все большее число ядерных реакторов, рискуя изменить температуру атмосферы, или же обратимся к океану — кладезю неиссякаемой энергии — и будем искать способ извлечения этой энергии для достижения наших це- лей — вот в чем заключается вопрос.

Накануне вступления в 21 век ученые-океанологи призывают прекратить пустые дискуссии и отказаться от надежды на то, что «технологическое развитие разрешит все проблемы на суше «. Они хотят обратить внимание общества на океан, который заряжается энергией внеземного происхождения, энергией доступной, не заг- рязняющей окружающую среду и возобновляемой.

Атомная Энергия.

****************

Открытие излучения урана впоследствии стало ключом к энергетическим кладовым природы.

Главным, сразу же заитересовавшим исследователей, был вопрос: откуда берется энергия лучей, испускаемых ураном, и почему уран всегда чуточку теплее окружающей среды? Под сомне- ние ставился либо закон сохранения энергии, либо утвержденный веками принцип неизменности атомов? Огромная научная смелость требовалась от ученых, которые перешагнули границы привычного, отказались от устоявшихся представлений.

Такими смельчаками оказались молодые ученые Эрнест Резер- форд и Фредерик Содди. Два года упорного труда по изучению ра- диоактивности привели их к революционному по тем временам вы- воду: атомы некоторых элементов подвержены распаду, сопровожда- ющемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравне- нию с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видо- изменениях.

Невиданными темпами развивается сегодня атомная энергети- ка. За тридцать лет общая мощность ядерных энергоблоков вырос- ла с 5 тысяч до 23 миллионов киловатт! Некоторые ученые выска- зывают мнение, что к 21 веку около половины всей электроэнер- гии в мире будет вырабатываться на атомных электростанциях.

В принципе энергетический ядерный реактор устроен доволь- но просто-в нем, так же как и в обычном котле, вода превраща- ется в пар. Для этого используют энергию, выделяющуюся при цепной реакции распада атомов урана или другого ядерного топ- лива. На атомной электростанции нет громадного парового котла, состоящего из тысяч километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулирует вода, превращаясь в пар. Эту ма- хину заменил относительно небольшой ядерный реактор.

Самый распространенный в настоящее время тип реактора во- дографитовый.

Еще одна распространенная конструкция реакторов-так назы- ваемые водо-водяные. В них вода не только отбирает тепло от твэлов, но и служит замедлителем нейтронов вместо графита. Конструкторы довели мощность таких реакторов до миллиона кило- ватт. Могучие энергетические агрегаты установлены на Запорожс- кой, Балаковской и других атомных электростанциях. Вскоре ре- акторы такой конструкции, видимо, догонят по мощности и ре- кордсмена-полуторамиллионик с Игналинской АЭС.

Но все-таки будущее ядерной энергетики, по-видимому, ос- танется за третьим типом реакторов, принцип работы и конструк- ция которых предложены учеными, — реакторами на быстрых нейт- ронах. Их называют еще реакторами-размножителями. Обычные ре- акторы используют замедленные нейтроны, которые вызывают цеп- ную реакцию в довольно редком изотопе- уране-235, которого в природном уране всего около одного процента. Именно поэтому приходится строить огромные заводы, на которых буквально про- сеивают атомы урана, выбирая из них атомы лишь одного сорта урана-235. Остальной уран в обычных реакторах использоваться не может. Возникает вопрос: а хватит ли этого редкого изотопа урана на сколько-нибудь продолжительное время или же челове- чество вновь столкнется с проблемой нехватки энергетических ресурсов ?

Более тридцати лет назад эта проблема была поставлена пе- ред коллективом лаборатории Физико-энергетического института. Она была решена. Руководителем лаборатории Александром Ильичом Лейпунским была предложена конструкция реактора на быстрых нейтронах. В 1955 году была построена первая такая установка.

Преимущества реакторов на быстрых нейтронах очевидны. В них для получения энергии можно использовать все запасы при- родных урана и тория, а они огромны-только в Мировом океане растворено более четырех миллиардов тонн урана.

Но все 400 атомных электростанции, работающих сейчас на планете, не могут создать угрозу, хотя бы сравнимую с угрозой, исходящей от 50 тысяч боеголовок.

Нет сомнения в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе человечества. Она бузусловно будет развиваться и впредь, без отказано поставляя столь необ- ходимую людям энергию. Однако понадобятся дополнительные меры по обеспечению надежности атомных электростанций, их безава- рийной работы, а ученые и инженеры сумеют найти необходимые решения.

Заключение.

********** *

За время существования нашей цивилизации много раз проис- ходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.

Солнце светило и обогревало человека всегда: и тем не ме- нее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину.

Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного «корма ».

Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое ли- дерство на энергетичеком рынке нефти.

И вот новый виток: в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зары- ваться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить нам все дороже.

Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники.

Запасы урана, если, скажем, сравнивать их с запасами уг- ля, вроде бы не столь уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь.

А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю… Всегда было так: следующий источник энергии был и более мощным. То была, если можно так выразить- ся, «воинствующая «линия энергетики.

В погоне за избытком энергии человек все глубже погружал- ся в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков.

Но времена изменились. Сейчас, в конце 20 века, начинает- ся новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энер- гетика «щадящая ». Построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит. Заботился об охране уже сильно пов- режденной биосферы.

Несомненно, в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкие права гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.

Яркий пример тому-быстрый старт электрохимической энерге- тики, которую позднее, видимо, дополнит энергетика солнечная.

Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вби- рает в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со Всем, и Все тянется к энергетике, зависит от нее.

Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, «черных дырах », вакууме,-это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергети- ки.

Лабиринты энергетики. Таинственные переходы, узкие, из- вилистые тропки. Полные загадок, препятствий, неожиданных оза- рений, воплей печали и поражений, кликов радости и побед.

Тернист, непрост, непрям энергетический путь человечест- ва. Но мы верим, что мы на пути к Эре Энергетического Изобилия и что все препоны, преграды и трудности будут преодолены.

Рассказ об энергии может быть бесконечен, неисчислимы альтернативные формы ее использования при условии, что мы должны разработать для этого эффективные и экономичные методы. Не так важно, каково ваше мнение о нуждах энергетики, об ис- точниках энергии, ее качестве, и себестоимости. Нам, по-види- мому. следует лишь согласиться с тем, что сказал ученый муд- рец, имя которого осталось неизвестным: «Нет простых решений, есть только разумный выбор ».

В. Володин, П. Хазановский «Энергия, век двадцать первый ».

А. Голдин «Океаны энергии ».

Л.С. Юдасин «Энергетика: проблемы и надежды ».

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой