Цивилизация на путях поиска идеальной энергетики будущего

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный

университет

Кафедра строительной физики и химии

Дисциплина: Концепция современного естествознания

Реферат на тему

Цивилизация на путях поиска идеальной энергетики будущего

Студентка группы 8-М-1

В. Я. Пименова

Руководитель:

В. М. Дронов

Санкт-Петербург

2014

Оглавление

Введение

Глава 1. Понятие энергии и энергетики

Глава 2. Поиск идеальных источников энергии

Глава 3. Альтернативные источники энергии

Глава 4. Будущие источники энергии

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Ученые предупреждают о возможном исчерпании известных и доступных для использования запасов нефти и газа, об истощении других важнейших ресурсов: железной и медной руды, никеля, марганца, алюминия, хрома и т.д. За 40 лет после второй мировой войны было использовано столько минерального сырья, сколько за всю предыдущую историю человечества. Конечно, о полном исчерпании ресурсов говорить еще рано, но это слабое утешение.

Сегодня энергетика мира базируется на не возобновляемых источниках энергии. В качестве главных энергоносителей выступают нефть, газ и уголь. Ближайшие перспективы развития энергетики связаны с поисками лучшего соотношения энергоносителей и, прежде всего с тем, чтобы попытаться уменьшить долю жидкого топлива. Но можно сказать, что человечество уже сегодня вступило в переходный период - от энергетики, базирующейся на органических природных ресурсах, которые ограничены к энергетике на практически неисчерпаемой основе.

Большие надежды в мире возлагаются на так называемые альтернативные источники энергии, преимущество которых заключается в их возобновимости, и в том, что это экологически чистые источники энергии. Об этих источниках я расскажу в своей работе.

Глава 1. Понятие энергии и энергетики

Слово «энергия» в переводе с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным представлениям энергия - это общая количественная мера различных форм движения материи. Существуют качественно разные физические формы движения материи, способные взаимно превращаться. В середине XX в. было установлено важное свойство материи: все ее формы движения превращаются друг в друга в строго определенных отношениях. Именно такое свойство и позволило ввести понятие энергии как общей меры движения материи.
Превращение энергии подчиняется фундаментальному закону сохранения, из которого следует невозможность создания вечного двигателя. В большинстве случаев полезная работа совершается только в результате определенных изменений состояния окружающих тел или систем (горения топлива, падения воды и т. п.). Работоспособность тела, т. е. способность его совершать определенную работу при переходе из одного состояния в другое, определяется энергией. Различным формам физического движения соответствуют различные виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т. д. Однако способность движения материи к взаимным превращениям придает данным видам энергии условный характер. Движение - неотъемлемое свойство материи, поэтому все виды энергии всегда локализованы в определенных материальных объектах. Энергия характеризует способность материальных объектов совершать работу, а работа производится при действии на объект физической силы. Значит, работа - это энергия в действии. Движется автомобиль, скользят санки по склону горы, набегающая волна приподнимает плот и т. д. - все это примеры совершаемой работы, энергии в действии.

Уровень развития современного общества во многом определяется производством и потреблением энергии. Благодаря потреблению энергии движется транспорт, улетают в космос ракеты, готовится пища, обогреваются жилища и приводятся в действие кондиционеры, освещаются улицы и т. д. Можно сказать: окружающий нас мир заполнен энергией, которая может быть использована для совершения различных видов работы. Энергией обладают люди и животные, камни и растения, ископаемое топливо и деревья, реки и озера, мировой океан и т. п.

В последнее время как никогда, обсуждается вопрос: что ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие? На страницах газет и журналов все чаще появляются статьи об энергетическом кризисе.

Развитие экономики, уровень материального благосостояния, людей находится в прямой зависимости от количества потребляемой энергии. Многие виды трудовой деятельности основаны на потреблении энергии. Природные энергоресурсы могут быть одним из основных источников процветания жизни. В качестве примера можно назвать нефть, добываемую в Арабских Эмиратах. Эту когда-то отсталую страну нефтяные энергоресурсы вывели на современный уровень развития. Из фундаментального закона природы следует, что пригодную для потребления энергию можно получить из других форм энергии в результате их преобразования. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт электроэнергии получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, т. е. при сжигании топлива или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях.

Новые факторы - возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды - потребовали нового подхода к энергетике. В основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах. Однако структура ее изменится. Сократится потребление нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется разработка пока еще не тронутых гигантских запасов дешевого угля. Будет широко применяться природный газ, запасы которого в нашей стране сравнительно велики.

К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь небезграничны. В естественных условиях они формировались миллионы лет, а будут израсходованы за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Лишь при экономном, рачительном потреблении природных ресурсов их может хватить на века. К сожалению, многие страны живут сегодняшним днем, добывая в большом количестве подаренные им природой богатства. Многие из таких стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь над тем, что через несколько десятков лет земные запасы иссякнут. Что же произойдет тогда - а это рано или поздно случится, - когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? При этом следует иметь в виду, что и нефть, и газ потребляет не только энергетика, но и транспорт, и химическая промышленность. Ответ очевиден - поиск новых источников энергии. Ученые, инженеры еще с давних времен занимаются поиском новых, нетрадиционных источников, которые могли бы обеспечить человечество энергией. Возможны разные пути решения данной проблемы. Самый очевидный путь - использование вечных, возобновляемых источников энергии - энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, Солнца.

Глава 2. Поиск идеальных источников энергии

В настоящее время большая часть вырабатываемой электроэнергии и тепла в мире происходит за счет использования угля, гидроэнергии, атомной энергии, газа и нефти. Но как я уже говорила, ресурсы на нашей планете истощимы. Уже сейчас многие страны испытывают нехватку углеводородов. Хотя с другой стороны, может это и к лучшему. Ведь у лучших умов человечества появится стимул для поиска новой, так называемой идеальной энергии.

Атомная и гидроэнергетика считаются наиболее экологичными из традиционных видов энергетики. Оба вида станций не выбрасывают в атмосферу вредных веществ. Однако строительство и АЭС, и ГЭС - долгое и весьма затратное дело. А проблемы ГЭС заключаются в затоплении больших площадей. К гидроэнергетике относятся также волновые и приливные электростанции (ПЭС). Их недостатками являются высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность.

Перспективными на сегодняшний день являются возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Они считаются экологически чистыми, плюс используемые для производства тепла и электричества солнце, ветер и тепло земли - неисчерпаемые ресурсы. Чем не идеальная энергетика? Однако на сегодняшний день доля альтернативной энергетики в мире не превышает 1%.

Потенциал использования энергии ветра в сто с лишним раз превосходит потенциал энергии всех рек в мире. Но мощность ветровых потоков непостоянна. А иногда ветра может не быть совсем. Таким образом, выработка ветровой энергии имеет большую неравномерность уже в суточном резерве, а введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует дестабилизации последней. Выходом из такой ситуации несомненно является увеличение ветропарков и строительство их в местах, где ветер обладает изрядным постоянством.

Солнечная энергетика тоже имеет свои проблемы. Строительство гелиостанции предусматривает использование больших площадей земли, хотя надо заметить, что строительство гидростанции аналогичной мощности потребует вывода из пользования гораздо большие участки земли. Решением этой проблемы являются установка солнечных панелей на высоте до 2,5 м и использование земель под электростанцией. Кроме того, большие площади фотопанелей и зеркал требуют ухода - их поверхность необходимо очищать от пыли.

Что касается биотоплива, то вряд ли его можно отнести не то чтобы к идеальной энергетике, но и к альтернативной. Слишком много негативных факторов пока с ним связано. Во-первых, посевные площади под продовольственные культуры перераспределяются в пользу топливных, из-за чего, по расчетам экономистов Университета Миннесоты, число голодающих на планете к 2025 году вырастет до 1,2 млдр человек. Во-вторых, под поля вырубаются леса, нанося урон экологии.

На сегодняшний день альтернативная энергия пока дороже традиционной. Однако уже были случаи, когда все оказывалось наоборот. Например, в 2005 году в США из-за роста цен на природный газ и уголь стоимость ветряного электричества стала ниже стоимости обычной электроэнергии. И чем больше возобновляемая энергетика будет развиваться, тем дешевле будет в дальнейшем энергия.

Глава 3. Альтернативные источники энергии

Теперь я хочу поподробнее рассказать об альтернативных источниках энергии.

Солнечная энергия

Хотя многие из нас этого и не подозревают, способ получения электроэнергии из солнечного света известен более ста лет. Явление фотоэлектричества впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839г. Проводя серию экспериментов по электричеству, он погрузил 2 металлических электрода в проводящий раствор подвергал установку воздействию солнечного света. Между электродами возникло небольшое электрическое напряжение. Появление в начале 50-х годов солнечных элементов, разработанных в лаборатории Белла, произвело революцию электронной промышленности. Космическая индустрия была бы без них практически беспомощна, легкие солнечные генераторы энергии позволили совершенно по-иному подойти к проблеме оседания искусственных спутников Земли. Кроме того, солнечная энергия может использоваться в солнечных домах.

Солнечные установки могут быть предназначены для отопления и горячего водоснабжения жилых домов. Солнечные энергетические установки способны сэкономить дорогостоящее минеральное топливо, благодаря разумному использованию энергии солнечного излучения.

Представление о солнечном доме (доме, в котором теплохладоснабжение и горячее водоснабжение осуществляемое при помощи солнечной энергии) стало широко известно. Наверное, самым идеальным примером такого дома является традиционный японский дом. Что летом, что зимой там всегда вполне приемлемая температура для проживания. Но настоящих солнечных домов, где полностью отработана система отопления и охлаждения, еще сравнительно немного, и сделать их экономически оправданными совсем не просто. Однако очевиден тот факт, что природных запасов нефти и угля на земном шаре не хватит на длительный срок и дальнейшая техническая программа неразрывно связана с необходимостью экономии энергии.

В конце 80-х годов наиболее распространенными предметами личного обихода, в которых использовалась солнечная энергия, были «солнечные кухни». Даже существовали специальные портативные солнечные кухни, которые можно было брать с собой в морское путешествие или в экскурсию в горы. В это же время в Японии были созданы электрические панели солнечные фотоаппараты, радиоприемники, портативные солнечные батареи, «солнечные светильники».

В префектуре Агава, в городе Нои появилась солнечная тепловая электростанция, производящая электроэнергию.

Известно, что еще в 1979г. легкий одноместный самолет, оснащенный солнечными батареями, который назывался "Солар Челленджер" и был изготовлен в США, благополучно пересек морской пролив между Францией и Англией, кроме того, на электрическом автомобиле с солнечными батареями был совершен автопробег через весь материк Австралии.

Энергия ветра

Ветер служит человеку с древних времен. Наиболее широкое распространение ветряные мельницы получили в Голландии. Некоторым из них уже более 500 лет, и они находятся в рабочем состоянии. Было время, когда вода и ветер служили едва ли не основными источниками энергии. Еще в 1910 г. в России насчитывалось примерно миллион ветряных мельниц и приблизительно столько же водяных. А сегодня всю эту энергетику с легкой руки называют нетрадиционной.

В 50-х годах XIX в. в США был изобретен многолопастный ветряк, который получил широкое распространение. С помощью подобных ветряков вначале поднималась вода из колодцев и заполнялись водой паровые котлы. Позднее ветряки стали использовать для получения электроэнергии.

В 30-х годах XX в. на территории США было сооружено около 6 млн многолопастных ветроустановок. Во многих сельских районах до строительства крупных электростанций основным поставщиком электроэнергии были различные ветроустановки. Энергия движущихся воздушных масс огромна. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории от наших западных границ до берегов Енисея.

В наши дни ветроустановки вырабатывают лишь небольшую часть производимой электроэнергии во всем мире. Техника XX в. открыла совершенно новые возможности для электроэнергетики. Созданы высокопроизводительные установки, способные вырабатывать электроэнергию даже при очень слабом ветре. Предлагается множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются самые последние достижения многих отраслей естествознания. Усилиями ученых и инженеров созданы разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Каждый источник энергии должен работать там, где дает наибольшую отдачу, максимальную выгоду. На севере у нас огромные труднодоступные территории. Вырабатывать здесь энергию очень сложно, и цена ее более высокая, чем в центре страны. Здесь то и могут найти применение ветроустановки.

К 1998 г. насчитывалось в России около полутора десятков крупных и примерно 100 мелких ветроустановок, в то время как за рубежом их общее число составило более 130 тысяч. Сегодня почти все развитые страны строят ветроустановки. В строительстве ветроустановок лидирует маленькая страна Дания. Около двух десятилетий назад именно она дала толчок развитию современной ветроэнергетики.

Ветроустановки порождают вибрации и шум, неблаготворно влияющие на живые организмы. Поэтому их строят обычно вдали от населенных пунктов. Металлические лопасти могут создавать помехи для радио- и телепередач. Но все же в целом ветроэнергетику принято считать экологически безопасной.

Биотопливо

Этот вид энергии имеет большие преимущества перед другими видами, поскольку он относительно дешевый и практически безвреден для окружающей среды. Естественно, что это не могло остаться незамеченным и многие страны уже активно занимаются исследованиями в этой области.

В связи с непрерывным ростом цен на нефть, на Кипре все активнее обсуждалась возможность использования в качестве альтернативы нефти биодизельное или другие разновидности топлива, получаемые из биомассы. Уже к концу 2005г. был подготовлен план поставок такого топлива и частичный перевод на него автомобилей с дизельным двигателем. Его станут получать из кукурузы, сои, хлопка, жмыха, остающегося после отжима масла из оливок. Кроме того, в стране разрабатывается программа, направленная на внедрение электромобилей и «гибридов».

В Токийском технологическом институте недавно запатентован метод преобразования растительного масла в биодизельное топливо с использованием катализаторов, в десятки раз гораздо более дешевых, чем применяемые ныне. Любое растительное масло может служить автомобильным топливом, но для этого входящие в его состав жирные кислоты надо превратить в эфиры. До сих пор необходимые для этого катализаторы оставались очень дорогими.

На конкурсе экологически чистых транспортных средств "Солнечный тур", прошедший летом 2005г. в штате Нью-Джерси, среди машин на альтернативном топливе победил автомобиль «Вегетарианец», работающий на отходах школьной столовой. Этот автомобиль создали студенты Центральной школы из городка Трентон. Точнее они переоборудовали старенький "Фольксваген Гольф" 1985г. выпуска, приспособив его двигатель к работе на биодизельном топливе собственного рецепта и изготовления. Как выяснилось, технология производства биотоплива, разработанная студентами, безопасна для окружающей среды и безотходна.

В Белгородской области весной 2005 г. прошли первые испытания тепловоза с дизельным двигателем, адаптированным и работающем на рапсовом масле. Уже в 2006г., все тепловозы, приписанные к местной железной дороге, рассчитывают перевести на топливо из рапса.

Большие надежды за рубежом возлагают на получение биомассы, содержащей различные сахара, путем ее сбраживания с получением спирта (этанола). В Бразилии разработана национальная программа использования этанола, полученного из сахарного тростника, для замены почти четверти потребляемого в стране бензина. Уже сегодня около 10% продаваемого там бензина содержит 10%-ную добавку этанола, что заметно снижает содержание вредных веществ в выхлопных газах.

Энергия, получаемая из мусора

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

Глава 4. Будущие источники энергии

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

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

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

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

На протяжении всей истории человечества наряду с изобретениями новых средств разрушения люди создавали и то, что улучшало и облегчало им жизнь. Так и с термоядерным оружием, в основе которого лежит термоядерный синтез. Учёные проводили и продолжают проводить исследования по укрощению термоядерной энергии, с целью использования её в качестве альтернативы современным источникам энергии.

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

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

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

возобновляемый энергия солнце водородная

Заключение

Энергия - это движущая сила любого производства. Тот факт, что в распоряжении человека оказалось большое количество относительно дешевой энергии, в значительной степени способствовало индустриализации развитию общества. Однако в настоящее время при огромной численности населения и производство, и потребление энергии становится потенциально опасным. Наряду с локальными экологическими последствиями, сопровождающимися загрязнением воздуха и воды эрозией почвы, существует опасность изменения мирового климата в результате действия парникового эффекта.

Человечество стоит перед дилеммой: с одной стороны, без энергии нельзя обеспечить благополучия людей, a с другой - сохранение существующих темпов ее производства и потребления может привести к разрушению окружающей среды, серьёзному ущербу здоровья человека.

Сегодня около половины мирового энергобаланса приходится на долю нефти, около трети - на долю газа и атома и около одной пятой - на долю угля. На все остальные источники энергии остается всего несколько процентов. Совершенно очевидно, что без тепловых и атомных электростанций на современном этапе человечество обойтись не в состоянии, и все же по возможности там, где есть, следует внедрять альтернативные источники энергии, чтобы смягчить неизбежный переход от традиционной энергетики к альтернативной.

Список использованной литературы

Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: учебник.

Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов.

Пустовалова Л. М. Общая химия: учебник.

Размещено на Allbest.ru