Для получения любого вида энергии необходим определенный источник. Как известно, существуют традиционные и нетрадиционные источники энергии, то есть альтернативные.
Традиционными источниками энергии являются нефть, уголь, природный газ. Запасы данных источников энергии исчерпаемы, подлежат длительному восстановлению, а также отрицательно отражаются на экологическом состоянии планеты. Поэтому, большинством стран мира в качестве основного направления развития энергетики определено производство энергии с помощью альтернативных источников энергии. Альтернативные источники энергии относятся к возобновляемым ресурсам, они более экологичны и экономичны.
Основная классификация альтернативных источников энергии
| № п/п | Вид альтернативного источника энергии | Способ применения |
| 1 | Энергия солнечного излучения | Фотоэлектрическая панель (ФЭП)
Солнечный коллектор Солнечная электростанция (СЭС) |
| 2 | Ветроэнергетическая установка (ВЭУ)
Ветряная электростанция (ВЭС) |
|
| 3 | Гидроэнергия | Гидроэлектростанция (ГЭС) |
| 4 | Приливная электростанция (ПЭС) | |
| 5 | Энергия волн океанов и морей | Волновая электростанция (ВЭС) |
| 6 | Геотермальная станция (ГеоТЭС) | |
| 7 | Энергия биомассы (биоэнергия) | Переработка твердых, жидких и газообразных видов биотоплива термохимическими, физико-химическими, либо биохимическими методами |
Энергия электромагнитного солнечного излучения
Она может использоваться для выработки как электроэнергии, как и тепловой энергии. Прямое преобразование солнечной радиации в электроэнергию производится как путем прямого преобразования за счет явления внутреннего фотоэффекта на фотоэлектрических панелях, так и косвенно с использованием термодинамических методов (получение пара с высоким давлением ) .
Получение тепловой энергии из солнечной производится за счет поглощения данной энергии и дальнейшего нагрева поверхности и теплоносителя, как специальными коллекторами, так и при помощи использования приемов «солнечной архитектуры».
Совокупность установок для преобразования энергии Солнца составляет солнечную электростанцию.
Кинетическая энергия ветра
Она служит для преобразования в механическую, тепловую, а также, чаще всего, в электроэнергию. Чтобы получить механическую энергию из кинетической энергии воздушных масс применяют элементарные ветряные мельницы. Однако, для дальнейшего преобразования полученной механической энергии необходимо использование ветрогенератора .
Ветрогенератор позволяет преобразовать механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию. Существует возможность накопления полученной электроэнергии при помощи аккумуляторных батарей и использования только при необходимости. Такая установка будет называться ветроэнергетической, или ветроустановкой. Совокупность нескольких ветроустановок будет называться ветряной электростанцией.
Преобразование ветровой энергии в тепловую энергию может производиться как косвенно (путем преобразования механической энергии в электрическую энергию, и затем, использованием полученной энергии для питания электрических приборов отопления), так и напрямую (прямое преобразование механической энергии в тепловую с нагревом теплоносителя производится путем применения вихревого теплогенератора)
Гидроэнергия
Гидроэнергия представляет собой солнечную энергию, преобразованную в потенциальную энергию, накопленную в плотине или водохранилище естественных и искусственных водоемов. Гидроэнергию можно преобразовывать в механическую либо электроэнергию с помощью гидротурбин. Данные установки называют гидроэлектростанциями (ГЭС).
Преобразование энергии приливов и отливов в электроэнергию производится на приливных электрических станциях двумя способами:
- Первый способ по принципу преобразования энергии аналогичен преобразованию энергии на гидроэлектростанции путем вращения турбины, связанной с электрогенератором;
- При втором способе используется энергия движения воды; данный способ основан на перепаде уровня воды при приливах и отливах.
Энергия волн используется для получения механической и электрической энергии. Преобразование происходит на специальных волновых электростанциях, принцип работы которых основан на оказании воздействия волн на следующие применяемые устройства: поплавки, маятники, лопасти. Перемещение данных устройств образует механическую энергию, которая далее при помощи электрогенератора преобразуется в электроэнергию.
Геотермальная энергия или энергия тепла Земли
Она может использоваться по прямому назначению, либо для получения электроэнергии. Преобразование энергии происходит на геотермальных станциях – ГеоТЭС.
Источники геотермальной энергии могут быть высоко- и низкопотенциальными. К высокопотенциальным источникам относятся гидротермальные ресурсы (термальная вода ). Их применяют для отопления помещений.
Низкопотенциальные источники энергии, в свою очередь, бывают естественными (воздух атмосферы, грунтовая вода, сам грунт) и искусственными (вентиляционный воздух помещения, отработанные воздух, вода или тепло). Данные источники применяют для кондиционирования, теплоснабжения и горячего водоснабжения.
Биоэнергию производят из разных видов биологического сырья, которое получается после переработки биоотходов. Из твердых (щепа, пеллеты, древесина, солома), жидких (биоэтанол, биометанол, биодизель) и газообразных (биогаз, биоводород) видов биологического топлива путем термохимических (пиролиз, сжигание), физико-химических (биоконверсия), либо биохимических (анаэробное брожение биомассы) методов преобразования получают тепловую или электрическую энергию.
Преимущества и недостатки альтернативных источников энергии следует рассматривать в индивидуальном порядке, однако выделим несколько общих плюсов и минусов, характерных для всех источников.
Плюсы использования альтернативных источников энергии
- Возобновляемость
- Экологический аспект.
- Широкое распространение, доступность.
- Низкая себестоимость производства энергии в обозримом будущем.
Минусы применения альтернативных источников энергии
- Непостоянство, зависимость от погодных условий и времени суток.
- Невысокий коэффициент полезного действия (за исключение водных источников энергии).
- Высокая стоимость
- Недостаточная единичная мощность установок.
1. Организационный момент.
- Мы с вами изучаем раздел «География мировых природных ресурсов».
Прежде чем мы начнем знакомиться с новой темой урока, выберем 2 человека, которые будут работать с ресурсами Интернета и искать ответ на поставленные перед ними вопросы.
Вопросы. 1) Привести примеры альтернативных источников энергии, о которых не шла речь на уроке. Указать, в чем их суть.(Исключить минеральные, водные, земельные, лесные ресурсы и ресурсы Мирового океана).
2) На какие группы можно делить рекреационные ресурсы? (не рассматривать классификацию, которая дана в учебнике на стр.121)
2. Т. З. М.
С какими видами природные ресурсов мы уже познакомились?
Тема нашего сегодняшнего урока называется «Интересные виды природных ресурсов», а в учебнике тема звучит как «Другие виды природных ресурсов». (слайд 1) Почему другие виды, что это за другие виды природных ресурсов? Как вы понимаете?
Это альтернативные источники энергии и рекреационные ресурсы.
Что мы хотим узнать на уроке? (слайд 2)
Сегодня мы не просто вспомним, что это за виды природных ресурсов, а выявим их разнообразие на нашей планете, дадим им оценку и составим карту их географии.
На уроке мы будем составлять проект - карту «Типы альтернативных электростанций и рекреационные ресурсы мира» и вы будете являться активными участниками нашего проекта.
Для создания проекта на прошлом уроке мы разделились на микрогруппы по 3 человека. В каждой группе выбрали лидера, организатора и оформителя. Каждая группа будет работать над своим проектом, который необходимо представить в конце урока. Защиту проекта продумывается с помощью вопросов, которые даны вам на листах.
3. Новый материал.
Первое с чем мы сегодня познакомимся – это альтернативные источники энергии. (слайд 3)
Существуют традиционные и нетрадиционные источниками энергии.
– Что относят к традиционным источникам энергии?
– Почему топливные ресурсы, энергия воды и атомная энергия считаются традиционными источниками энергии?
Как иначе мы называем нетрадиционные источники энергии?
– Перечислите альтернативные источники энергии.
Почему их называют альтернативными?
Все традиционные электростанции (ТЭС, ГЭС, АЭС) вырабатывают более 99% от всей мировой энергии, соответственно, альтернативные электростанции – менее 1%.
Уже очень давно говорится о перспективах термоядерной энергетики. Что значит термоядерная? (слайд 4)
Она способна сделать человека независимым от традиционных энергоносителей. Несмотря на все усилия ученых, пока не удается создать даже опытную термоядерную установку. Но работы в этом направлении ведутся с неослабевающей интенсивностью уже много десятилетий.
Работа с текстом учебника.
Познакомимся с альтернативными источниками энергии, определим факторы, влияющие на размещение электростанций и проблемы их размещения. Для этого заполним таблицу. (текст уч. стр 117-119)
| Нетрадиционные источники | Факторы, влияющие на размещение | Проблемы | Страны |
| Энергия Солнца - гелеоэнергетика | |||
| Исландия, запад США, Новая Зеландия, Филиппины, Италия, Мексика, Япония. |
|||
| Районы, где дует постоянный и ровный ветер. | |||
| высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность |
Работа с контурной картой.
Будем проверять таблицу и одновременно при помощи условных знаков наносить на контурную карту страны, имеющие электростанции, работающие на альтернативном топливе. (слайд 5 - 12)
Какие еще существуют альтернативные источники энергии, о которых не шла речь на уроке. (слайд 13-15)
Вывод.
Итак, отрасль альтернативной энергетики находится на этапе становления и является очень перспективной, поскольку снижает зависимость человека от исчерпаемых источников минерального топлива.
Познакомиться с рекреационными ресурсами мира.
Как вы понимаете, что значит рекреационные ресурсы? (слайд 16)
Рекреация - восстановление израсходованных в процессе жизнедеятельности физических и духовных сил человека, повышение его здоровья и работоспособности
Рекреационные ресурсы - это природные и антропогенные объекты, которые обладают такими свойствами, как уникальность, историческая или художественная ценность, эстетическая привлекательность, оздоровительная значимость.
В последние десятилетия значения этих ресурсов возросло. Это связано с тем, что человек перестал трудиться ради выживания (или заботиться о добыче хлеба насущного – на сегодня и завтра), а начал думать об отдыхе и связанных с ним удовольствиях, где определенное место и заняли путешествия. Позже этот вид отдыха стал именоваться туризмом.
Туристы есть везде! Есть туристические фирмы, осуществляющие посещение Северного и Южного полюсов, восхождение на Эверест, кругосветное плавание и многое другое. (слайд 17)
Т. О., возник «туристический бум». Что это такое и с чем связан «туристический бум» последних десятилетий? Текст учебника стр 120.
Видов рекреационных ресурсов много. Их можно объединить в две группы. (слайд 18)
Рассмотрите рис.63 на стр.121, заполните схему в тетради, дополните ее примерами из текста учебника или собственными примерами.
(проверка заполненной схемы) (слайд 19-22)
Поскольку одним из видов рекреационных ресурсов являются культурно-исторические ресурсы, здесь особое внимание нужно уделить объектам всемирного культурного и природного наследия.
(сообщение 1-го ученика) (слайд 23-26)
На какие еще группы можно делить рекреационные ресурсы? (слайд27)
Рассмотрим анаморфозу международных туристических поездок.
(слайд 28)
Карта показана в искаженном виде, так как те страны, которые принимают много туристов в течение года, наливаются соками и распухают, а страны, в которые совершается небольшое количество туристических поездок – уменьшаются в размерах по сравнению с реальными очертаниями.
По карте видно, что Западная Европа - наиболее популярное направление для международных туристов. Область получает 46 % мировых туристических поездок. 0.1 % мировых туристических поездок совершается на центральноафриканские территории
Как туристическое предназначение Андорра получает 45 посещений на человека в населении, ежегодно. Эквивалентные числа для Монако и Багам 7 и 5, соответственно.
Проследим динамику международного туризма с 1950 года по 2005 год. Какой вывод можно сделать по данной диаграмме? (слайд 29)
Стран, которые имеют рекреационные ресурсы, огромное количество. К ним можно отнести Францию, Италию, Германию, Индию, Турцию, Мексику, Египет, Россию… Но наибольшей популярностью пользуются страны и районы, где богатые природно-рекреационные ресурсы сочетаются с культурно-историческими достопримечательностями.
Работа с контурной картой.
Закончить карту «Типы альтернативных электростанций рекреационные ресурсы мира» - привести по 2-3 примера стран к каждой группе рекреационных ресурсов. (слайд 30)
Вывод.
Современный образ жизни привел к рекреационному взрыву. Туристы посещают различные страны мира. Рекреационные ресурсы образуют не только природные, но и антропогенные объекты.
Защита проектов.
Продумайте название вашей карты. Почему вы выбрали именно такое название?
Продумайте условные обозначения для каждого типа альтернативных электростанций. Почему вы выбрали именно такие условные обозначения?
Интересно ли вам было работать над этой проблемой?
Интересно ли вам было работать с этими людьми в группе?
5) Хотелось бы изменить процесс работы над проектом? Почему?
4. Домашнее задание.
Написать эссе на одну из тем: «Нетрадиционные источники энергии: за и против»» или «Рекреационные ресурсы мира».
Р/т стр. 52 – 54 все задания.
(Эссе – жанр философской, научно-критической, историко-биографической, публицистической прозы, сочетающей подчеркнуто индивидуальную позицию автора с непринужденным, часто парадоксальным изложением, ориентированным на разговорную речь.)
Альтернативная энергетика - это нетрадиционные способы получения, передачи и использования энергии. Известна также как «зелёная» энергия». Под альтернативными источниками понимаются возобновляемые ресурсы (такие как вода, солнечный свет, ветер, энергия волн, геотермальные источники, нетрадиционное сжигание возобновляемого топлива).
Базируется на трёх принципах:
- Возобновляемость.
- Экологичность.
- Экономичность.
Альтернативная энергетика должна решить несколько остро стоящих в мире проблем: трата полезных ископаемых и выделение в атмосферу углекислого газа (это происходит при стандартных способах добычи энергии через газ, нефть и т.д.), что влечёт за собой глобальное потепление, необратимое изменение экологии и парниковый эффект.
Развитие альтернативной энергетики
Направление считается новым, хотя попытки использовать энергию ветра, воды и солнца предпринимались ещё в 18 веке. В 1774 году издан первый научный труд по гидротехническому строительству - «Гидравлическая архитектура». Автор работы - французский инженер Бернар Форест де Белидор. После издания труда почти на 50 лет развитие зелёного направления застыло.
- 1846 - первая ветроустановка, проектировщик - Пол ла Кур.
- 1861 - патент на изобретение солнечной электростанции.
- 1881 - постройка гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде.
- 1913 - сооружение первой геотермальной станции, инженер - итальянец Пьеро Джинори Конти.
- 1931 - постройка первой промышленной ветряной станции в Крыму.
- 1957 - установка в Нидерландах мощной ветротурбины (200 кВт), подключённой к государственной сети.
- 1966 - строительство первой станции, вырабатывающей энергию на основе волн (Франция).
Новый толчок в развитии альтернативная энергетика получила в период жёсткого кризиса 1970 годов. С 90-ых годов по начало 21 века в мире зафиксировано критическое количество аварий на электростанциях, что стало дополнительным стимулом разработки зелёной энергии.
Альтернативная энергетика в России
Доля альтернативной энергетики в нашей стране занимает примерно 1% (по данным Минэнерго). К 2020 году планируется увеличить этот показатель до 4,5%. Развитие зелёной энергии будет проводиться не только средствами Правительства. РФ привлекает частных предпринимателей, обещая небольшой возврат средств (2,5 копеек за 1 кВт в час) тем бизнесменам, которые вплотную займутся альтернативными разработками.
Потенциал развития зелёной энергии в РФ огромен:
- океанские и морские побережья, Сахалин, Камчатка, Чукотка и др. территории ввиду малой заселённости и застроенности могут использоваться в качестве источников ветровой энергии;
- источники солнечной энергии в совокупности превышают то количество ресурсов, которые производятся путём переработки нефти и газа, - наиболее благоприятны в этом отношении Краснодарский и Ставропольский края, Дальний Восток, Северный Кавказ и др.
(Крупнейшая солнечная электростанция на Алтае, Россия )
В последние годы финансирование этой отрасли сократилось: планка в 333 млрд рублей опустилась до 700 млн. Это объясняется мировым экономическим кризисом и наличие неотложных проблем. На данный момент альтернативная энергетика не является приоритетным направлением в промышленности России.
Альтернативная энергетика стран мира
(Ветряные генераторы в Дании )
Наиболее динамично развивается гидроэнергетика (ввиду доступности водных ресурсов). Ветровая и солнечная энергия значительно отстают, хотя некоторые страны предпочитают двигаться именнов этих направлениях.
Так, с помощью ветряных установок добывается энергии (от общего числа):
- 28% в Дании;
- 19% в Португалии;
- 16% в Испании;
- 15% в Ирландии.
Спрос на солнечную энергию ниже, чем предложение: устанавливается половина источников от того числа, которое могут обеспечить производители.
(Солнечная электростанция в Германии )
ТОП-5 лидеров по производству зелёной энергии (данные портала вести.ру):
- США (24,7%) - (все типы ресурсов, более всего задействован солнечный свет).
- Германия - 11,7% (все виды альтернативных ресурсов).
- Испания - 7,8% (ветряные источники).
- Китай - 7,6% (все типы источников, половина из них - ветряная энергетика).
- Бразилия - 5% (биотопливо, солнечные и ветряные источники).
(Крупнейшая солнечная электростанция в Испании )
Одна из наиболее труднорешаемых проблем - финансы. Зачастую пользоваться традиционными источниками энергии дешевле, чем устанавливать новое оборудование. Одним из потенциально позитивных решений этой задачи является резкое поднятие цен на свет, газ и т.д., чтобы вынудить людей экономить и со временем полностью перейти на альтернативные источники.
Прогнозы развития сильно варьируются. Так, Wind Energy Association обещает,ч то к 2020 году доля зелёной энергии вырастет до 12%, а EREC предполагает, что в 2030 году уже 35% энергопотребления в мире будет обеспечиваться из возобновляемых источников.
Альтернативные источники энергии — это ветер, солнце, приливы и отливы, биомасса, геотермальная энергия Земли.
Ветряные мельницы давно используются человеком в качестве источника энергии. Однако они эффективны и пригодны только для мелкого пользователя. К сожалению, ветер пока еще не в состоянии давать электроэнергию в достаточных количествах. Солнечная и ветровая энергетика имеет серьезный недостаток — временную нестабильность именно в тот момент, когда она особенно нужна. В связи с этим необходимы системы хранения энергии, чтобы потребление ее могло быть возможно в любое время, но экономически зрелой технологии создания таких систем пока нет.
Первые ветряные электрогенераторы были разработаны еще в 90-х гг. XIX в. в Дании, а уже к 1910 г. в этой стране было построено несколько сот мелких установок. Еще через несколько лет датская промышленность получала от ветряных генераторов четверть необходимой ей электроэнергии. Их общая мощность составила 150-200 МВт.
В 1982 г. на китайском рынке было продано 1280 ветряных турбин, а в 1986 г. — 11 000, что позволило обеспечить электричеством те районы Китая, в которых раньше его никогда не было.
В начале XX в. в России насчитывалось 250 тыс. крестьянских ветряных мельниц мощностью до 1 млн кВт. Они перемалывали 2,5 млрд пудов зерна на месте, без дальних перевозок. К сожалению, в результате бездумного отношения к природным ресурсам в 40-х гг. прошлого века на территории бывшего СССР была разрушена основная часть ветряных и водяных двигателей, а к 50-м гг. они почти совсем исчезли как «отсталая техника».
В настоящее время солнечную энергию используют в некоторых странах в основном для отопления, а для производства энергии — в очень незначительных масштабах. Между тем мощность солнечного излучения, достигающего Земли, составляет 2 х 10 17 Вт, что более чем в 30 тыс. раз превышает сегодняшний уровень энергопотребления человечества.
Различают два основных варианта использования энергии Солнца: физический и биологический. При физическом варианте энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал. При биологическом варианте используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в органическом веществе растений (обычно в древесине). Этот вариант годится для стран с относительно большими запасами леса. Например, Австрия планирует в ближайшие годы получать от сжигания древесины до трети необходимой ей электроэнергии. Для этих же целей в Великобритании планируется засадить лесом около 1 млн га земель, непригодных для сельскохозяйственного использования. Высаживаются быстрорастущие породы, такие как тополь, срезку которого производят уже через 3 года после посадки (высота этого дерева около 4 м, диаметр стволика — более 6 см).
Проблема использования нетрадиционных источников энергии в последнее время особенно актуальна. Это, несомненно, выгодно, хотя подобные технологии требуют значительных затрат. В феврале 1983 г. американская фирма «Арка Солар» начала эксплуатировать первую в мире солнечную электростанцию мощностью 1 МВт. Возведение таких электростанций — дорогое удовольствие. Сооружение солнечной электростанции, способной обеспечить электроэнергией около 10 тыс. бытовых потребителей (мощность — около 10 мМВт), обойдется в 190 млн дол. Это в четыре раза больше, нежели расходы на сооружение ТЭС, работающей на твердом топливе, и соответственно в три раза больше, чем строительство гидроэлектростанции и АЭС. Тем не менее специалисты по изучению солнечной энергии уверены, что с развитием технологии использования энергии Солнца цены на нее значительно снизятся.
Вероятно, будущее энергетики — за ветряной и солнечной энергией. В 1995 г. в Индии приступили к реализации программы по выработке энергии с помощью ветра. В США мощность ветряных электростанций составляет 1654 МВт, в Европейском союзе — 2534 МВт, из них 1000 МВт вырабатывается в Германии. В настоящее время наибольшего развития ветроэнергетика достигла в Германии, Англии, Голландии, Дании, США (только в Калифорнии 15 тыс. ветряков). Энергия, получаемая с помощью ветра, может постоянно возобновляться. Ветряные станции не загрязняют окружающую среду. С помощью ветряной энергии можно электрифицировать самые отдаленные уголки земного шара. К примеру, 1600 жителей острова Дезират в Гваделупе пользуются электричеством, которое вырабатывают 20 ветряных генераторов.
Из чего еще можно получать энергию, не загрязняя окружающую среду?
Для использования энергии приливов и отливов обычно строят приливные электростанции в устьях рек либо непосредственно на морском берегу. В обычном портовом волноломе оставляют отверстия, куда свободно поступает вода. Каждая волна повышает уровень воды, а следовательно, и давление остающегося в отверстиях воздуха. «Выдавливаемый» наружу через верхнее отверстие воздух приводит в движение турбину. С уходом волны возникает обратное движение воздуха, который стремится заполнить вакуум, и турбина получает новый импульс к вращению. Согласно оценкам специалистов, такие электростанции могут использовать до 45 % энергии приливов.
Волновая энергия представляется довольно многообещающей формой из новых энергоисточников. Например, на каждый метр волнового фронта, окружающего Британию со стороны Северной Атлантики, в среднем приходится 80 кВт энергии в год, или 120 000 ГВт. Существенные потери при переработке и передаче этой энергии неизбежны, и, по-видимому, лишь третья ее часть может поступать в сеть. Тем не менее оставшегося объема достаточно для того, чтобы обеспечить всю Британию электричеством на уровне существующей нормы потребления.
Привлекает ученых и использование биогаза, который представляет собой смесь горючего газа — метана (60-70 %) и негорючего углекислого газа. В нем обычно присутствуют примеси — сероводород, водород, кислород, азот. Образуется биогаз в результате анаэробного (бескислородного) разложения органики. Этот процесс в природе можно наблюдать на низинных болотах. Воздушные пузырьки, поднимающиеся со дна заболоченных участков, это и есть биогаз — метан и его производные.
Процесс получения биогаза можно разделить на два этапа. Вначале с помощью анаэробных бактерий из углеводов, белков и жиров образуется набор органических и неорганических веществ: кислоты (масляная, пропионовая, уксусная), водород, углекислота. На втором этапе (щелочном или метановом) подключаются метановые бактерии, которые разрушают органические кислоты с выделением метана, углекислого газа и небольшого количества водорода.
В зависимости от химического состава сырья при сбраживании выделяется от 5 до 15 кубометров газа на кубометр перерабатываемой органики.
Биогаз можно сжигать для отопления домов, сушки зерна, использовать в качестве горючего для автомобилей и тракторов. По своему составу биогаз мало отличается от природного газа. Кроме того, в процессе получения биогаза остаток брожения составляет примерно половину органических веществ. Его можно брикетировать и получать твердое топливо. Однако в хозяйственном отношении это не слишком рационально. Остаток брожения лучше использовать в качестве удобрения.
1 м 3 биогаза соответствует 1 л жидкого газа или 0,5 л высококачественного бензина. Получение биогаза даст технологическую выгоду — уничтожение отходов и энергетическую выгоду — дешевое горючее.
В Индии для получения биогаза используется около 1 млн дешевых и простых установок, а в Китае их свыше 7 млн. С точки зрения экологии биогаз имеет огромные преимущества, так как он может заменить дрова, а следовательно, сохранить лес и предотвратить опустынивание. В Европе ряд установок по очистке городских сточных вод удовлетворяет свои энергетические потребности за счет производимого ими биогаза.
Еще одним альтернативным источником энергии является сельскохозяйственное сырье: сахарный тростник, сахарная свекла, картофель, топинамбур и др. Из него методом ферментации в некоторых странах производят жидкое топливо, в частности этанол. Так, в Бразилии растительную массу преобразуют в этиловый спирт в таких количествах, что эта страна удовлетворяет большую часть своих потребностей в автомобильном топливе. Сырье, необходимое для организации массового производства этанола, — это в основном сахарный тростник. Сахарный тростник активно участвует в процессе фотосинтеза и производит на каждый гектар обрабатываемой площади больше энергии, чем другие культуры. В настоящее время его производство в Бразилии составляет 8,4 млн т, что соответствует 5,6 млн т бензина самого высокого качества. В США производится биохол — горючее для автомобилей, содержащее 10 % этанола, полученного из кукурузы.
Тепловую или электрическую энергию можно добывать за счет тепла земных глубин. Геотермальная энергетика экономически эффективна там, где горячие воды приближены к поверхности земной коры, — в районах активной вулканический деятельности с многочисленными гейзерами (Камчатка, Курильские острова, острова Японского архипелага). В отличие от других первичных источников энергии, носители геотермальной энергии невозможно транспортировать на расстояние, превышающее несколько километров. Поэтому земное тепло — типично локальный источник энергии, и работы, связанные с его эксплуатацией (разведка, подготовка буровых площадок, бурение, испытание скважин, забор жидкости, получение и передача энергии, подпитка, создание инфраструктур и т.д.), ведутся, как правило, на относительно небольшом участке с учетом местных условий.
Геотермальная энергия используется в широких масштабах в США, Мексике и на Филиппинах. Доля геотермальной энергии в энергетике Филиппин — 19 %, Мексики — 4 %, США (с учетом использования для отопления «напрямую», т.е. без переработки в электрическую энергию) — около 1 %. Суммарная мощность всех геоТЭС США превышает 2 млн кВт. Геотермальная энергия обеспечивает теплом столицу Исландии — Рейкьявик. Уже в 1943 г. там были пробурены 32 скважины на глубине от 440 до 2400 м, по которым к поверхности поднимается вода с температурой от 60 до 130 °С. Девять из этих скважин действуют по сей день. В России, на Камчатке, действует геоТЭС мощностью 11 МВт и строится еще одна мощностью 200 МВт.
Весь мир сегодня в поисках новых источников энергии. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить разграбления полного истощения природных ресурсов. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века. К сожалению, многие нефтедобывающие страны не задумываются о последствиях своей деятельности. Они расходуют нефтяные запасы, не задумываясь о будущем. Происшедшее повышение цен на нефть, необходимую не только энергетике, но и транспорту, и химии, заставило задуматься о других видах топлива, пригодных для замены нефти и газа. Особенно альтернативные источники энергии начали искать те страны где нет собственных запасов нефти и газа, и которым приходится их покупать.
Поэтому в общую типологию электростанций включаются электростанции, работающие на так называемых нетрадиционных или альтернативных источниках энергии. К ним относят: энергию приливов и отливов; энергию малых рек;·энергию ветра; энергию Солнца; геотермальную энергию; энергию горючих отходов и выбросов; энергию вторичных или сбросовых источников тепла и другие.
Несмотря на то, что нетрадиционные виды электростанций занимают всего несколько процентов в производстве электроэнергии, в мире развитие этого направления имеет большое значение, особенно учитывая разнообразие территорий стран. В России единственным представителем этого типа ЭС является Паужетская ГеоТЭС на Камчатке мощностью 11МВт. Станция эксплуатируется с 1964 года и уже устарела как морально, так и физически. Уровень технологических разработок России в этой области сильно отстает от мирового. В удаленных или труднодоступных районах России, где нет необходимости строить большую электростанцию, да и обслуживать ее зачастую некому, “нетрадиционные” источники электроэнергии - наилучшее решение.
Возрастанию числа электростанций на альтернативных источниках энергии будут способствовать следующие принципы: более низкая стоимость электроэнергии и тепла, получаемая от нетрадиционных источников энергии, чем от всех других источников; возможность практически во всех странах иметь локальные электростанции, делающие их независимыми от общей энергосистемы; доступность и технически реализуемая плотность, мощность для полезного использования; возобновляемость нетрадиционных источников энергии; экономия или замена традиционных энергоресурсов и энергоносителей; замена эксплуатируемых энергоносителей для перехода к экологически более чистым видам энергии; повышение надежности существующих энергосистем.
Практически каждая страна располагает каким-либо видом этой энергии и в ближайшей перспективе может внести существенный вклад в топливно-энергетический баланс мира.
Солнечная энергия. Солнце - неисчерпаемый источник энергии - ежесекундно дает Земле 80 триллионов 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 пятидесяти тысяч гелиопечей. Солнечной энергией отапливаются жилые помещения площадью 150 тысяч квадратных метров, созданы гелиотеплицы общей площадью 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. Новый рекорд в этом отношении принадлежит Центру прогрессивных технологий компании “Боинг”. Созданный там солнечный элемент преобразует в электроэнергию 37 % попавшего на него солнечного света. Уже в 1981 году через пролив Ла-Манш совершил перелёт первый в мире самолёт с двигателем, работающим от солнечных батарей. Чтобы совершить перелёт на расстояние 262 км, ему потребовалось 5,5 часа. А по прогнозам учёных конца прошлого века, ожидалось, что к 2000 году на дорогах Калифорнии появится около 200000 электромобилей. Возможно, и нам стоит подумать об использовании солнечной энергии в широких масштабах. В частности, в Крыму с его “солнцеобильностью”.
С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Кажется, самим здравым смыслом определено ее место. Уж если где и строить такие станции, так это в первую очередь в краю курортов, санаториев, домов отдыха, туристских маршрутов; в краю, где надо много энергии, но еще важнее сохранить в чистоте окружающую среду, само благополучие которой, и прежде всего чистота воздуха, целебно для человека. Крымская СЭС невелика - мощность всего 5 МВт. В определенном смысле она - проба сил. Хотя, казалось бы, чего еще надо пробовать, когда известен опыт строительства гелиостанций в других странах.
На острове Сицилия еще в начале 80-х годов дала ток солнечная электростанция мощностью 1 МВт. Принцип ее работы тоже башенный. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается пар с температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10-20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу.
Несколько иного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные - до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях. Тем не менее солнечные фотоэлементы уже сегодня находят свое специфическое применение. Они оказались практически незаменимыми источниками электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле - в первую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районах или же для малых потребителей тока (радиоаппаратура, электрические бритвы и зажигалки и т.п.). Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установлены на третьем советском искусственном спутнике Земли (запущенном на орбиту 15 мая 1958 г.).
Энергия ветра. 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!
Ветровые двигатели не загрязняют окружающую среду, но они очень громоздкие и шумные. Чтобы производить с их помощью много электроэнергии, необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где дуют сильные ветры. И, тем не менее, всего одна электростанция, работающая на ископаемом топливе, может заменить по количеству полученной энергии тысячи ветряных турбин. При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.
Морская энергия. В последнее время в некоторых странах снова обратили внимание на те проекты, которые были отвергнуты ранее как малоперспективные. Так, в частности, в 1982 году британское правительство отменило государственное финансирование тех электростанций, которые используют энергию моря: часть таких исследований прекратилась, часть продолжалась при явно недостаточных ассигнованиях от Европейской комиссии и некоторых промышленных фирм и компаний. Причиной отказа в государственной поддержке называлась недостаточная эффективность способов получения “морского” электричества по сравнению с другими его источниками, в частности - атомными. В мае 1988 года в этой технической политике произошел переворот. Министерство торговли и промышленности Великобритании прислушалось к мнению своего главного советника по энергетике Т. Торпа, который сообщил, что три из шести имеющихся в стране экспериментальных установок усовершенствованы и ныне стоимость 1 кВт/ч на них составляет менее 6 пенсов, а это ниже минимального уровня конкурентоспособности на открытом рынке. Цена “морской” электроэнергии с 1987 года снизилась вдесятеро.
Волны. Наиболее совершенен проект “Кивающая утка”, предложенный конструктором С. Солтером. Поплавки, покачиваемые волнами, дают энергию стоимостью всего 2,6 пенса за 1 кВт/ч, что лишь незначительно выше стоимости электроэнергии, которая вырабатывается новейшими электростанциями, сжигающими газ (в Британии это - 2,5 пенса), и заметно ниже, чем дают АЭС (около 4,5 пенса за 1 кВт/ч). 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 причисленной к таким источникам.
Энергия рек. Примерно 1/5 часть энергии, потребляемой во всём мире, вырабатывают на ГЭС. Её получают, преобразуя энергию падающей воды в энергию вращения турбин, которая в свою очередь вращает генератор, вырабатывающий электричество. Гидростанции бывают очень мощными. Так, станция Итапу на реке Парана на границе между Бразилией и Парагваем развивает мощность до13 000 млн. кВт. 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 они могут обеспечить энергией крестьянское хозяйство или геологическую экспедицию, отгонное пастбище или небольшую мастерскую. Опытный образец бесплотинной мини-ГЭС успешно зарекомендовал себя на речках Горного Алтая.
Энергия мирового океана. Резкое увеличение цен на топливо, трудности с его полученном, сообщения об истощении топливных ресурсов - все эти видимые признаки энергетического кризиса вызвали в последние годы во многих странах значительный интерес к новым источникам энергии, в том числе к энергии Мирового океана. Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. км2) занимают моря и океаны - акватория Тихого океана составляет 180 млн. км2. Атлантического - 93 млн. км2, Индийского - 75 млн. км2. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву 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 использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.
Энергия приливов и отливов. Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление - ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные воды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой (так называемая сизигия), Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив (сизигийный прилив, или большая вода). Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней. Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер.
Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50-70 см.
Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2-20 МВт. Первая морская приливная электростанция мощностью 635 кВт была построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную электростанцию начали строить в США. Американцы перегородили часть залива Пассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн. долл., но работы пришлось прекратить из-за неудобного для строительства, слишком глубокого и мягкого морского дна, а также из-за того, что построенная неподалеку крупная тепловая электростанция дала более дешевую энергию.
Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высокую приливную волну в Магеллановом проливе, но правительство не утвердило дорогостоящий проект.
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 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.
В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическому управлению.
Энергия земли. Тепло от горячих горных пород в земной коре тоже может генерировать электричество. Через пробуренные в горной породе скважины вниз накачивается холодная вода, а в вверх поднимается образованный из воды пар, который вращает турбину. Такой вид энергии называется геотермальной энергией. Она используется, например, в Новой Зеландии и Исландии.
Энергия из отходов. 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. Во всяком случае именно так поступили в США, в штате Пенсильвания. Когда построенная для сжигания мусора и одновременной выработки электроэнергии для 15000 домов печь стала получать недостаточно топлива, было решено восполнить его мусором с уже закрытых свалок. Вырабатываемая из мусора энергия приносит округу около $ 4000 прибыли еженедельно. Но главное - объем закрытых свалок сократился на 78%.
Энергия навоза. Много проблем связано с загрязнением водоемов отходами звероводческих хозяйств. Большие количества органического вещества, попадающие в водоемы, способствуют их загрязнению. Известно, что теплоцентрали - активные загрязнители окружающей среды, как и свинофермы и коровники. Именно второй способ получения энергии выбрали в английском городе Пиделхинтоне, где 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 70 тонн навоза ежедневно, можно получить 40 КВт/ч.
Подводя итог, нужно отметить, что на сегодняшний день роль альтернативных источников энергии растёт, что благоприятно сказывается на природных запасах, экологической ситуации в мире. В первую очередь этот рост происходит благодаря странам, где нет достаточных запасов полезных ископаемых, в первую очередь, нефти и газа. Таким образом, можно с уверенностью сказать, что роль альтернативных источников энергии будет повышаться. Эта тенденция будет наблюдаться в основном в странах, где невелики запасы собственных природных ресурсов.
