Энергетика будущего: октябрь-новая

Содержание

Энергетика будущего

Тренд на возобновляемую энергетику становится всё более очевидным в масштабах планеты. Он необходим, чтобы уменьшить негативное влияние продуктов переработки углеводородов на окружающую среду. На долю солнечной и ветровой энергетики уже приходится около 8 процентов мирового потребления электроэнергии.

В России с 2014 года работает государственная программа «Развитие энергетики», в рамках которой предусмотрены долгосрочные стратегии развития отрасли на основе возобновляемых источников (ВИЭ). Это ветроэнергетика, солнечная энергетика, геотермальная энергетика. Также предполагается строительство объектов генерации на основе ВИЭ и производство оборудования для альтернативной энергетики.

Научные центры вносят существенный вклад в развитие прорывных экологичных разработок согласно Стратегии научно-технологического развития РФ.

Представляем дайджест достижений вузов, входящих в Проект 5-100, которые еще на шаг приближают нас к эре альтернативной энергетики.

В Дальневосточном федеральном университете установили закономерности влияния формы тепловых аккумуляторов на их эффективность.

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) провели серию экспериментов, в ходе которых удалось установить корреляцию между формой теплового аккумулятора и его эффективностью. Благодаря новым сведениям удастся модифицировать устройства накопления энергии и сделать их более производительными и экономически выгодными.

В исследовании рассматривались тепловые накопители, которые применяются в прогрессивных энергетических системах. При нагревании гранулы активного вещества плавятся, тепловая энергия (газ) накапливается. Но при остывании снова происходит переход в твердое состояние, и газ высвобождается.

Фото: zimaletostroy.ru

«Исследуя процессы зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов разных форм, мы применили шесть различных критериев эффективности, – объясняет профессор Инженерного департамента Политехнического института ДВФУ, заведующий лабораторией ИАПУ ДВО РАН Николай Луценко, – иногда наиболее предпочтительным может быть такой аккумулятор, в котором сохранится как можно больше проходящей через него энергии. В другом случае может понадобиться аккумулятор с наименьшим временем зарядки. Также в случае разрядки кому-то требуется аккумулятор, который отдает наибольший процент запасенной энергии, а для других может оказаться более полезным аккумулятор, поддерживающий максимально долго температуру газа на выходе не ниже требуемой».

С помощью специальной компьютерной программы ученые просчитали, что из-за постоянных смен нагрева и охлаждения, а как следствие расширения и сужения аккумуляторов, бóльшим преимуществом обладают цилиндрические накопители с прямыми стенками. Но для отдельных случаев и специальных условий может быть предпочтительной и другая форма аккумулятора.

Накопители тепловой энергии входят в состав аккумуляторов разных типов. Они необходимы, чтобы запасать энергию от традиционных электростанций ночью или же солнечных батарей и ветрогенераторов днем, которая будет отдаваться в моменты самого высокого потребления по более низкой цене.

Над проблемой «Как получить более дешевую энергию максимально эффективно?» также борются ученые из ИТМО. Они совместно с НПЦ «Прецизионная электромеханика» и Лабораторией гибридной нанофотоники и оптоэлектроники (Perolab) реализуют междисциплинарный проект по развертыванию «умной» микроэнергетической системы.

Фото: Модуль умного окна / Николай Поляков (ИТМО)

Процессы урбанизации и диджитализации значительно увеличивают нагрузку на городские электросети. Что закономерно ведет к сбоям в системе. Даже выход из строя одного элемента может повлечь за собой масштабные негативные последствия.

Чтобы предвосхитить нежелательные события и разгрузить городские системы, специалистами было предложено новое направление – «умное» управление энергообеспечением.

«У каждой системы есть циклограмма потребления энергии, – объясняет доцент факультета систем управления и робототехники Университета ИТМО Николай Поляков. – Возьмем, к примеру, офисное здание. Туда все приходят более или менее одновременно, включают компьютеры, ставят чайники – в этот момент в здании резко возрастает потребление энергии. Вскоре этот пик может сгладиться, ведь кто-то начнет активно работать, а кто-то уедет по делам, кто-то выскочит за кофе, кто-то пойдет на совещание. Тем не менее при проектировании традиционной системы всегда приходится делать расчет системы из условия работы на уровне пиковой нагрузки сети».

Логично, что это в итоге ведет к удорожанию всей энергетической инфраструктуры. К сожалению, нельзя просто из соображений экономии снижать выработку энергии к обеду.

Ученые ИТМО предлагают переход на микроэнергетические системы для отдельных зданий, которые могут в течение дня уменьшить нагрузку на инфраструктуру, адаптируясь под скачки энергопотребления. В данный момент специалисты собирают экспериментальные образцы «умных» силовых преобразователей для микроэнергетической системы общей мощностью 15 кВт – столько потребляет среднестатистический частный дом.

Предполагается, что комплекс интеллектуальных силовых преобразователей с накопителями энергии, датчиками и «умными» контроллерами будет анализировать выработку энергии в течение дня, чтобы в момент пиковой нагрузки в здании выйти на свою максимальную производительность, таким образом разгружая городскую сеть. Идеально с точки зрения экологии и эффективности система будет работать в комплекте с солнечной батареей или ветрогенератором, которые могут аккумулировать энергию в своих накопителях, отдавая ее в нужный момент.

Еще одна уникальная разработка Лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО – модули умного окна. Как объяснил Николай Поляков: «Такое устройство должно выполнять три функции: пропускать солнечный свет как обычное окно, преобразовывать солнечный свет в электричество в дневное время суток и работать как светоизлучающий прибор с мягким диффузионным светом вечером и ночью, по желанию пользователя».

Главное в гибридных системах нового поколения – возможность контролировать и оптимизировать потоки энергии на принципиально ином уровне – в сочетании с альтернативными источниками и собственными накопителями. Если в будущем такими системами будут снабжены отдельные дома, скажем, одного поселка, то они смогут сохранить такой резерв мощности, что снизят энергопотребление всей инфраструктуры. Например, ветрогенераторы могут накопить энергию ночью, по дешевому тарифу, а расходовать ее днем. Или же электричество от умного окна сможет поступить в общую сеть через солнечный инвертор (еще одна разработка ученых ИТМО). В дополнение к вышесказанному «умные» системы в целом увеличат надежность системы электроснабжения.

Фото: altenergiya.ru

В «ЛЭТИ» тоже давно ведутся разработки с использованием солнечной энергетики: это и солнечные панели, и системы питания дронов и роботов, и «умные» системы освещения. На кафедре фотоники СПбГЭТУ регулярно проводят исследования по увеличению эффективности и снижению себестоимости различных солнечных элементов. Так, ученые «ЛЭТИ» предлагают внедрять солнечные электростанции на основе гибридных и мультикаскадных сложных систем на удаленные объекты и дома, не подключенные к центральной электросети.

На прошедшем 5 сентября в Гатчине Всероссийском фестивале энергосбережения и экологии «Вместе Ярче» были представлены лучшие изобретения и опытные образцы из Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета.

«Мы представили одни из самых современных солнечных панелей мирового уровня, выполненные по технологии HJT производства компании „Хэвел“, сотрудниками которой являются многие выпускники СПбГЭТУ „ЛЭТИ“. Такие панели позволяют вырабатывать солнечную энергию даже в пасмурную погоду. Мы показали наши самые важные с практической точки зрения разработки: энергетическую мини-электростанцию на основе солнечных элементов, воздушные и наземные дроны, питаемые от солнечных панелей, „солнечные“ фонари и другие разработки», – поделился ассистент кафедры фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Иван Игоревич Михайлов.

Важно отметить, что, кроме разработки передовых технологий в солнечной энергетике, университеты Проекта 5-100 занимаются обучением и повышением квалификации кадров для этой области. На базе ДВФУ давно существует Центр энергоэффективности, а также есть магистерские программы «Энергоэффективность и энергосбережение в электроэнергетических системах» и «Оптимизация развивающихся систем электроснабжения», в ИТМО есть курсы «Промышленная экология и чистое производство», а также «Биоэкономика и управление ресурсами», а в «ЛЭТИ» с 2011 года на кафедре фотоники при поддержке ГК «Роснанотех» функционирует магистерская программа «Солнечная гетероструктурная фотоэнергетика».

Эти университетские программы позволят достигнуть отличных результатов в рамках федерального проекта «Молодые профессионалы (Повышение конкурентоспособности профессионального образования)» национального проекта «Образование», а также обеспечат экономику России высококвалифицированными кадрами, активно развивающими альтернативную энергетику с заботой об экологии.

Будущее должно начаться сегодня – в ООН проходит Диалог по энергетике |

Момент истины

«Моментом истины» назвал сегодняшнее мероприятие Генеральный секретарь Антониу Гутерриш: последний раз вопросы энергетики обсуждались на столь высоком уровне 40 лет назад. Тогда отношение к ископаемому топливу было совершенно другим – страны хвалились ростом его добычи и производства. Сегодня человечество осознало, что это путь к катастрофе: выбросы, связанные с производством и использованием такой энергии, составляют 75 процентов всех парниковых газов, загрязняющих атмосферу. А это, в свою очередь усугубляет климатический кризис.

Развитие сектора возобновляемых источников энергии позволяет создать в три раза больше рабочих мест, чем топливная энергетика

У этой проблемы есть еще один трагический аспект: сегодня 760 млн человек в мире все еще живут без электричества, а 2,6 млрд – не имеют доступа к экологически чистым видам топлива и технологиям для приготовления пищи. Цель же, как заявил сегодня, открывая Диалог, Генеральный секретарь ООН Антониу Гутерриш, заключается в том, чтобы каждый мог пользоваться энергией, но воздух оставался бы чистым, а изменение климата – ограниченным в масштабах.

«У человечества уже есть необходимые инструменты, чтобы добиться выполнения этой задачи, надо лишь воспользоваться ими, – продолжил он. – Во многих странах самый дешевый источник энергии сегодня – это солнечные фотоэлектрические системы. Развитие сектора возобновляемых источников энергии позволяет создать в три раза больше рабочих мест, чем топливная энергетика».

По словам Гутерриша, во время пандемии только сектор возобновляемой энергии показывал высокие темпы роста, но даже этого роста далеко не достаточно. Например, в 11 странах Африки южнее Сахары четверть всех медицинских учреждений не имеет электричества, а девяносто процентов всех жителей планеты дышат загрязненным воздухом.

Что предлагают в ООН

В ООН предлагают в ближайшие десять лет сокращать долю углеводородов, «декарбонизировать» энергетическую отрасль – без этого не удержать потепление в пределах 1,5 градуса Цельсия, а значит – не выполнить главную задачу, заложенную в Парижское соглашение по климату, и не достичь Целей устойчивого развития.

«Сегодня у нас есть историческая возможность, – подчеркнул глава ООН. – Я надеюсь, что все страны, особенно те, что более всего загрязняют атмосферу, а также крупные игроки в мире бизнеса и финансов воспользуются ею».

Приоритеты

Антониу Гутерриш рассказал о своих приоритетах в борьбе за экологически чистое будущее глобальной энергетики. Во-первых, нужно к 2030 году существенно сократить разрыв в сфере доступа к энергии. Это требует «относительно скромных» вложений, сообщил Генсек ООН: 35 млрд долларов в год на меры по обеспечению населения электричеством и 25 млрд долларов – на расширение доступа к чистым видам топлива и технологиям для приготовления пищи.

Читайте также:

Почему все больше стран обещают добиться «углеродной нейтральности»?

Третьим пунктом в списке приоритетов как раз значится финансирование: чтобы добиться радикальных преобразований, нужно обеспечить беспрерывный поток инвестиций – причем их общий объем необходимо увеличить в три раза и довести до 5 трлн долларов в год. Во-вторых, как считает Гутерриш, необходимо ускорить переход на безуглеродную энергетику: к 2030 году общие объемы энергии из возобновляемых источников должны быть увеличены в четыре раза.

«После 2021 года в мире не должно появиться ни одной новой угольной электростанции», – убежден он. Глава ООН считает, что страны и инвесторы не должны финансировать разведку новых месторождений ископаемого топлива, а также лицензирование или строительство инфраструктуры для его добычи. «Это нерационально, – предупредил он. Чистая, возобновляемая энергия – гораздо более выгодное вложение».

И в-четвертых, очень важно, чтобы блага, которые сулит «зеленая» революция, распределялись справедливо. «Никто не должен остаться за бортом», – заключил Антониу Гутерриш.

Энергетический договор

Глава ООН призвал всех участников Диалога «действовать дерзко и решительно» и продемонстрировать приверженность общему энергетическому будущему, подписав Договор, который станет своеобразной дорожной картой на ближайшее десятилетие. «Мы не можем ждать еще 40 лет, – подчеркнул он. – Эра чистой и доступной каждому энергии должна начаться с сегодняшнего дня».

Обязательства стран

Тема «зеленой» экономики и экологически чистой энергетики звучит во многих выступлениях на общеполитической дискуссии 76-й сессии Генеральной Ассамблеи ООН, в том числе в виде конкретных обязательств. Например, в Казахстане запускают национальную стратегию низкоуглеродного развития до 2050 года и сокращают госрасходы на выработку углеродной энергии; в Молдове расширяют лесные насаждения и развивают «зеленую» и многооборотную экономику; в Азербайджане намерены к 2030 году довести долю возобновляемых источников энергии в общей энергетической системе до 30 процентов; Узбекистан к 2025 году планируется ввести в эксплуатацию новые солнечные и ветровые электростанции общей мощностью 2900 мегаватт.

Большое внимание, конечно, привлекли и обязательства, взятые крупными странами, которые считаются главные «загрязнителями»: США обещают увеличить финансирование мер по борьбе с изменением климата до 11,4 млрд в год, а Китай – не строить новые угольные электростанции за рубежом. В ООН эта информация не осталась незамеченной: в тот же день Антониу Гутерриш выступил с заявлением, в котором он высоко оценил взятые Пекином и Вашингтоном обязательства. В ООН рассчитывают на прорыв в ходе Диалога высокого уровня по энергетике и надеются услышать о новых «дерзких» обязательствах.

По итогам Диалога

По итогам Диалога высокого уровня его участники взяли на себя дополнительно 150 обязательств. Среди прочего речь идет об инвестиции частных и государственных средств — всего 400 млрд долларов — в проекты по обеспечению электричеством и чистыми топливом для приготовления пищи сотни миллионов жителей планеты, а также существенном расширении объемов производства возобновляемой энергии.

Энергетика будущего: реальность или фантастика?

Исследовательская работа

по теме «Энергетика будущего: реальность или фантастика?»

Цель: изучить возможные технологии производства электрической энергии в будущем, перспективы развития энергетики.

Задача: доказать необходимость замены традиционных источников электроэнергии на более совершенные.

Введение

Всем известно, что уровень производства и потребления энергии является важнейшим показателем развития производительных сил общества, главную роль при этом играет электроэнергия – самая универсальная форма энергии. Количество производимой электроэнергии – это показатель экономической мощи государства. Производство электроэнергии осуществляется на трех типах электростанций: тепловые (ТЭС), гидро (ГЭС), атомные (АЭС). Источником энергии на ТЭС служат уголь, газ, торф, мазут. Источником энергии на ГЭС служит потенциальная энергия воды, поднятой плотиной. Источником энергии на АЭС является ядерное топливо (U-235, P-239, Th-232).

Как известно, нефти, угля и газа хватит не так уж и надолго (угля – примерно на 115 лет, нефти – на 50 лет, газа – на 50 лет), да еще и экологи недовольны. Урана и тория вроде бы хватает (урана – на 75 лет), но народ чего – то боится. Да и не ясно, куда девать столько радиоактивных отходов.

Термоядерная энергетика.

Решение энергетической проблемы в ближайшем будущем будет принадлежать термоядерным электростанциям. Термояд позволяет в перспективе получать энергию буквально из воды, причем отходами его работы будут являться, только обычные безвредные водород и гелий. Внутри реактора будет радиоактивный тритий, но его будет сотни грамм, в противовес сотне тонн полуотработанного топлива в обычных ядерных реакторах. Так что ничего подобного Чернобылю не может произойти, даже если термоядерный реактор взорвется. Но его взрыв возможен разве в случае теракта, так как реакция там самопроизвольно развиваться не умеет. В принципе, вариантов термоядерного синтеза на самом деле много. Можно использовать и дейтерий, и литий, и тритий. Подсчитано, что один грамм топлива для термоядерного реактора позволяет получить энергии больше, чем три с половиной тонны бензина!

Суть термоядерного синтеза в том, что ядерная энергия может высвобождаться не только при делении тяжелых ядер. Но также при слиянии (синтезе) легких ядер. Чтобы произошла реакция синтеза, два ядра должны сблизиться на очень маленькое расстояние. Но ядра имеют положительный заряд и поэтому отталкиваются друг от друга, а чтобы сблизить их друг с другом, их нужно разогнать до огромных скоростей. Одним из вариантов такого разгона является нагрев до высокой температуры. Расчет показывает, что нужна температура порядка 10 миллионов Кельвинов. Поэтому реакция слияния ядер называется термоядерным синтезом. Одна из реакций синтеза – слияние двух изотопов водорода (дейтерия и трития). В результате этого образуется ядро гелия. При этом выделяется огромная энергия, почти в 4 раза превосходящая эффект реакции деления ядра урана.

Такая реакция легла в основу создания водородной бомбы. Запалом в такой бомбе служит атомная бомба, при взрыве которой возникает температура, необходимая для слияния ядер. Реакция синтеза в данном случае является неуправляемой.

Овладеть управляемой термоядерной реакцией – это значит обладать самым богатым и самым дешевым источником энергии. Решение проблемы управляемой термоядерной реакции избавит человечество от забот об источниках энергии; в этом случае ядерным горючим станет вода морей и океанов. Кроме того, при термоядерной реакции не образуются радиоактивные отходы, поэтому не будет проблем с загрязнением окружающей среды.

Проблемы термоядерной энергетики.

В настоящее время разрабатываются методы создания очень больших температур в водородной плазме (удалось получить сверхвысокие температуры примерно 100 млн. К) с помощью мощного лазерного излучения. Но главная проблема – удержать эту плазму в течение длительного времени. А для этого необходимо обеспечить полную изоляцию плазмы от стенок установки, в которой она будет находиться. При соприкосновении со стенками плазма мгновенно охлаждается и перестает существовать, а стенки, в свою очередь, не выдержат высокой температуры и расплавятся. Следовательно, плазма должна быть окружена вакуумом, также применяется магнитная теплоизоляция.

Немаловажно, что пока вся потраченная энергия, в конечном счете, переходит в нагрев установки. Реалистично рассчитывать лишь на 25 – 35% КПД. Значит, нам нужно, чтобы установка вырабатывала в 2-3 раза больше энергии, чем тратится на ее нагрев. Учитывая, что нам еще нужна и электростанция для выработки энергии, то необходимо получать уже в 5-10 раз больше энергии. На данный момент самыми перспективными признаны два подхода к получению термоядерной энергии: долго удерживать магнитным полем разреженную плазму и сжать плазму до такой огромной плотности, что реакция успевает пойти, несмотря на то, что от разлета плазму удерживает лишь инерция. Первый вариант осуществляется с помощью двух типов установок: токамаки (рис.1 Приложение 1) и стеллараторы. Для неискушенного наблюдателя и то и другое – бублик, с каким – то хитроумным магнитным полем внутри.

Сфера Дайсона.

Мы рассказали вам об энергетике будущего, над которой ученые работают сегодня. А сейчас мы расскажем о будущей энергетике, которая похожа на фантастику. Одним из примеров такой фантастики можно считать «Сферу Дайсона». Сфера Дайсона – это астроинженерный проект английского ученого Фримена Дайсона. Ученый предположил, что со временем энергетические потребности любой достаточно развитой цивилизации становятся настолько высокими, что существует только одна возможность их удовлетворить. А именно – постройка вокруг ближайшей звезды колоссальной конструкции, которая с помощью батарей и фотоэлементов могла бы поглощать и накапливать практически всю энергию светила. Предполагается, что технологически развитая цивилизация может применять подобные астросооружения для максимально возможного использования энергии центральной звезды. В данном случае световая энергия превратится в электрическую с помощью солнечных панелей.

По признанию самого Дайсона, идею Сферы он впервые обнаружил в фантастическом романе Олафа Степлдона «Создатель звёзд».

Сфера Дайсона представляет собой относительно тонкую оболочку большого радиуса (примерно 1 астрономическая единица, что равно 150 млн. км) со звездой в центре. (Рис.2,3,4,5 Приложение 1)

Сразу возникает много вопросов: может ли человечество построить такую сферу? И можно ли её вообще построить? Где взять настолько прочный материал? Сколько времени займет постройка? И если на вышеперечисленное можно ответить туманное «ну, технологии будущего, что-нибудь да придумают», то другие проблемы упираются уже в законы физики.

1) Главная проблема — гравитация и стабильность – Сфера не должна падать на Солнце.

2) Проблема охлаждения Сферы – она не должна плавиться (на поверхности сферы температура может достигать сотни градусов Цельсия). Земля охлаждается за счет атмосферы и вращения, а у Сферы нет ни того, ни другого.

3) Солнечный ветер. Выбросы с Солнца будут повреждать поверхность Сферы, оседать на ней и утяжелять её.

4) Для сооружения Сферы потребуется огромное количество вещества, равное массе Юпитера.

Для решения этих проблем можно привести Сферу Дайсона во вращение вокруг центральной оси, чтобы центробежная сила уравновесила силу притяжения центральной звезды. Однако так как центробежная сила достигает максимума на экваторе, то на полюсах Сферы центробежная сила будет отсутствовать и Сфера сложится «сама в себя». В этом случае можно сделать Сферу из колец. Данная конструкция решит проблему саморазрушения тем, что являет собой огромное количество колец, каждое из которых меньше предыдущего и находится внутри него (похоже на матрешку). Минус этой конструкции в том, что тратится больше ресурсов, и не все построенные светоуловители будут работать, т.е. у всей конструкции падает К.П.Д. Плюс ко всему – разрушение какого – либо внутреннего кольца может повлечь за собой повреждение всей конструкции, а вскоре и саморазрушение.

Естественно, Сфера Дайсона будет построена не в следующий десяток лет и даже не в следующее столетие, и для землян этот проект – далекая мечта. Но ведь Земля не единственная в космосе планета, и возможно, наши братья по разуму, отстоящие от нас на световые годы по расстоянию и обгоняющие нас на миллионы лет развития, уже построили подобные сферы. Опять фантастика?

Однако сегодня ученые – исследователи ведут поиски внеземного разума (к примеру, программа SETI), они отнеслись к идее поиска «чужих» сфер вполне серьёзно. Предполагается, что конструкция высокоразвитой цивилизации будет излучать в инфракрасном диапазоне и может быть обнаружена существующими астрономическими средствами по его тепловому излучению. Для такого поиска Сфер, а значит и других цивилизаций используется космический инфракрасный телескоп NASA SIRTF. Так что, может быть, мы найдем проект Дайсона уже реализованным нашими космическими соседями.

Теоретически учеными предсказано создание еще одного источника энергии, основанного на аннигиляции – реакции соединения атомов вещества и антивещества. Если удастся построить аннигиляционный реактор, где будут взаимодействовать, например, водород и антиводород, то он будет вырабатывать колоссальный поток световой энергии. Эта энергия с помощью солнечных панелей может быть преобразована в электрическую энергию.

Что касается Сферы Дайсона, то конечно крайне сложно будет добыть столько вещества, возвести конструкцию, защитить её от внешних воздействий – все это в наших глазах делает проект практически невозможным. Но могли ли древние люди, сидя на дереве, представить ту же Останкинскую телебашню?

Заключение

Осуществимы ли проекты Сферы Дайсона и аннигиляционного реактора или нет, всё равно эти идеи заслуживают внимания, как минимум со стороны писателей – фантастов, максимум – со стороны инженеров, астрономов и других ученых. Может быть эти проекты – это сказка, миф современности, но вспомните – история Дедала и Икара была написана несколько тысячелетий назад. А тысячелетия в масштабах Вселенной – это ничтожно мало.

Закончить доклад хочется на позитивной ноте. Высокоразвитая цивилизация всегда сможет найти выход из энергетического кризиса. В космосе неисчерпаемые запасы ресурсов и энергии, только надо уметь их использовать.

Список использованных источников:

2002- 2021 Ежедневный познавательный журнал «Школа жизни.ру» Freemann J. Dyson. Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation (англ.) // Science : journal. — 1960. — Vol. 131, no. 3414. — P. 1667—1668. — doi:10.1126/science.131.3414.1667. — Bibcode: 1960Sci…131.1667D. — PMID 17780673.

Шкловский И. С. Вселенная, Жизнь, Разум. — 6-е изд. дополненное. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.  — 320 с.

Лем, Станислав. Сумма технологии = Summa Technologiae / пер. с польск. А. Г. Громовой, Д. И. Иорданского, Р. И. Нудельмана, Б. Н. Пановкина, Л. Р.

Плинера, Р. А. Трофимова, Ю. А. Ярошевского; вступ. ст. акад. В. В. Парина; ред. и послесл. Б. В. Бирюкова и Ф. В. Широкова. — М. : Мир, 1968. — 608 с.

Файлы:

xJ_NMF6VxKs.jpg
PrjbruK5YoI.jpg
B03dqfnpYFU.jpg
9ZVc_EZtP4o.jpg
_wFUcuKKuqQ.jpg

Возобновляемая энергия и энергоресурсы будущего

Человеческая раса в своей нескончаемой борьбе за улучшение своего уровня жизни неизменно зависела от колоссального количества электроэнергии для подпитки нашей эволюции. Согласно современной оценке National Geographic, мы ежедневно используем 320 миллиардов киловатт-часов энергии. Сегодня большая часть этой огромной потребности удовлетворяется за счет сжигания ископаемого топлива. До сих пор ископаемые виды топлива очень эффективно удовлетворяли наши энергетические потребности, но они также невозобновляемы и быстро истощаются. Эти источники топлива также внесли большой вклад в выбросы парниковых газов и загрязнение окружающей среды. Пришло время найти подходящие и лучшие заменители ископаемого топлива. Ученые постоянно исследуют новые и более экологичные источники энергии, которые оказывают ограниченное воздействие на окружающую среду и уменьшают их вклад в глобальное потепление, которое, как считается, вызвано выбросом углекислого газа при сжигании ископаемого топлива.

Атомная энергия, солнечная энергия, энергия ветра и биотоплива — это лишь некоторые из многообещающих альтернатив более чистому и экологичному будущему. Также изучаются другие относительно новые источники энергии, такие как топливные элементы, геотермальная энергия и энергия океана. В следующих разделах мы рассмотрим текущие источники энергии, а также обсудим возможные будущие источники энергии.

Ископаемое топливо – уголь

Ископаемое топливо – это остатки мертвых растений и животных на суше и на морском дне. Они образуются из окаменелых останков мертвых животных и растений, подвергавшихся воздействию тепла и давления в земной коре на протяжении сотен миллионов лет.

Ископаемые виды топлива в основном состоят из углеводородов. Они содержат углерод и водород в различных соотношениях, например, метан с низким соотношением углерода к водороду или антрацитовый уголь, который представляет собой почти чистый углерод. Углеводороды образуются, когда окаменелые останки мертвых организмов химически изменяются в течение сотен миллионов лет под воздействием сильного давления и тепла, обнаруженных в земной коре. Химическая энергия, «сохраненная» в этих видах топлива, высвобождается во время сгорания для производства электроэнергии.

Согласно оценкам, предоставленным Управлением энергетической информации, на ископаемые виды топлива приходится 86% всей энергии, производимой в мире. Из них на долю нефти приходилось 36,8%, угля 26,6% и природного газа 22,9%.

Однако ископаемое топливо является невозобновляемым источником энергии. Для их формирования требуются сотни миллионов лет, и они истощаются гораздо быстрее, чем могут быть созданы новые запасы. Подсчитано, что для производства 1 литра бензина требуется 23,5 тонны ископаемого органического материала, осевшего на дне океана. В 1997, общее количество использованного ископаемого топлива было эквивалентно растительному веществу, которое росло на всей суше и поверхности океана земли в течение 422 лет.

Еще одним недостатком нашей сильной зависимости от ископаемого топлива является количество углекислого газа, образующегося при сжигании, которое оценивается в 21,3 миллиарда тонн в год. Однако естественные процессы способны поглотить лишь около половины всего количества выбросов углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу, а это значит, что каждый год количество углекислого газа в атмосфере увеличивается 0019
увеличивается на 10,65 млрд тонн, что, как предполагается, является основным фактором глобального потепления, которое потенциально может иметь очень неблагоприятные последствия для экосистемы.

Ископаемое топливо – природный газ

Природный газ обычно находится вместе с ископаемым топливом, в угольных пластах и в других типах горных пород. Он создается метаногенными организмами, присутствующими на свалках, болотах и водно-болотных угодьях. Он естественным образом состоит из метана и небольшого количества других газов, таких как этан, пропан, бутан, пентан, углеводородов с более высокой молекулярной массой, серы, гелия и азота. Компоненты природного газа, кроме метана, необходимо удалить, прежде чем природный газ можно будет использовать в качестве источника топлива. Прочтите «Генераторы на природном газе: альтернатива дизельному топливу», где в качестве примера показаны существующие технологии, использующие природный ресурс, более безопасный для окружающей среды, в качестве топлива.

Хотя природный газ считается более чистым, чем другие ископаемые виды топлива, было обнаружено, что он способствует загрязнению окружающей среды и глобальному потеплению. Хотя его можно использовать для пополнения постоянно истощающихся мировых запасов традиционных ископаемых видов топлива, он не является на 100% чистой и не загрязняющей окружающую среду альтернативой. В 2004 году выбросы углекислого газа в результате использования природного газа составили 5 300 миллионов тонн, а выбросы углекислого газа от угля и нефти составили 10 600 миллионов тонн и 10 200 миллионов тонн соответственно. Однако ожидается, что эта тенденция изменится к 2030 году, когда природный газ, вероятно, будет выделять 11 000 миллионов тонн углекислого газа по сравнению с 8 400 миллионами тонн угля и 17 200 тонн нефти в то время. Кроме того, при прямом выбросе в атмосферу природный газ является гораздо более сильным парниковым газом, чем двуокись углерода, но, поскольку это происходит в очень небольших количествах, в настоящее время он не вызывает серьезного беспокойства.

Солнечная энергия

Почти все в этом мире в конечном счете получает энергию от солнца. Вместо того, чтобы получать солнечную энергию из косвенных источников, таких как ископаемое топливо, исследователи и организации во всем мире стремятся напрямую использовать этот неограниченный источник энергии.

Земля получает около 174 миллиардов мегаватт энергии в верхних слоях атмосферы в результате солнечной радиации. Около 30% падающей солнечной радиации отражается обратно, а оставшаяся часть, составляющая 3,85 х 1024 Дж ежегодно, поглощается атмосферой, океанами и сушей. Количество солнечной энергии, доступной нам в течение часа, больше, чем общее количество энергии, потребляемой во всем мире за целый год. Но это рассеянная, а не концентрированная форма энергии, и самая большая проблема заключается в ее использовании.

Тепловое и световое излучение солнца можно использовать с помощью полупроводниковых солнечных панелей. Энергия солнечного излучения возбуждает электроны на этих панелях и приводит к выработке электрической энергии.

Одним из самых больших препятствий на пути использования солнечной энергии является создание экономически эффективных солнечных панелей. Стоимость солнечной энергии составляет около 8-15 центов США за киловатт-час по сравнению со стоимостью электроэнергии на основе угля в 6 центов США за киловатт-час.

Надлежащее хранение энергии является еще одним серьезным препятствием. Солнечная энергия недоступна ночью, но современные энергетические системы обычно предполагают постоянное наличие энергии. Системы тепловой массы, системы накопления тепла, материалы с фазовым переходом, автономные фотоэлектрические системы и гидроаккумулирующие гидроэлектростанции — вот некоторые из способов хранения солнечной энергии для последующего использования.

Несмотря на все технологические достижения, технология использования солнечной энергии все еще находится в зачаточном состоянии. Пока мы не усовершенствуем технологию и не сможем использовать и хранить солнечную энергию жизнеспособным и экономически эффективным способом, ископаемое топливо будет оставаться наиболее часто используемым источником энергии.

Атомная энергия

Поскольку мировой спрос на электроэнергию продолжает расти, ядерная энергия приобретает все большее значение как чистый источник энергии, который, как ожидается, решит глобальную проблему изменения климата. Волатильность цен на ископаемое топливо и растущая озабоченность стран по обеспечению энергоснабжения являются другими движущими силами ядерной энергетики.

В настоящее время в 30 странах мира эксплуатируется 439 ядерных энергетических реакторов. Это составляет 14% от общего производства электроэнергии в мире. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) ожидает, что мировая мощность ядерной энергетики вырастет с нынешних 372 гигаватт (ГВт) до 437–542 ГВт к 2020 году и до 473–748 ГВт к 2030 году. надежный и чистый источник энергии, необходимо решить несколько задач. Некоторые из них включают повышение экономической конкурентоспособности, проектирование безопасных и надежных атомных электростанций, обращение с отработавшим топливом и захоронение радиоактивных отходов, подготовку достаточно квалифицированной рабочей силы, обеспечение доверия общественности к ядерной энергетике и обеспечение ядерного нераспространения и ядерной безопасности.

Ядерная энергия используется путем расщепления (деления) или слияния (слияния) ядер двух или более атомов. Ядерное деление обычно использует уран в процессе использования энергии. При наших нынешних темпах потребления урана, обнаруженного в земной коре, хватит нам примерно на столетие. Однако исследователи предсказывают, что потребление энергии утроится в следующем столетии, а это означает, что доступных ресурсов урана нам хватит примерно на 30 лет. Одним из вариантов является переработка отработавшего топлива. Это отработавшее топливо богато плутонием, и в сочетании с остатками урана его можно переработать в смесь, известную как МОХ-топливо, которую можно использовать в качестве топлива. Это может помочь растянуть имеющиеся запасы урана еще на несколько десятилетий. Самым большим недостатком этого источника энергии является захоронение радиоактивных отходов и высокая стоимость строительства атомных электростанций.

Ядерное деление, с другой стороны, могло бы стать ответом на наши энергетические проблемы. В делении используются изотопы водорода, литий и бор. Запасов лития из земли в сочетании с запасами из моря может хватить нам более чем на 60 миллионов лет. Дейтерий, изотоп водорода, может существовать еще 250 миллионов лет. Однако процесс использования энергии этого изотопа довольно сложен и все еще находится в зачаточном состоянии. Если мы сможем успешно научиться использовать ядерный синтез для производства энергии жизнеспособным образом, он вполне может стать новым королем энергетического мира. Ядерный синтез — это чистый процесс с низким уровнем выбросов углекислого газа, а радиоактивные отходы также имеют относительно короткий период полураспада.

Энергия ветра

Ветряные электростанции предназначены для использования механической энергии ветра и преобразования ее в электрическую энергию. Затем эти ветряные электростанции подключаются к сетям передачи электроэнергии для распределения мощности. В среднем можно использовать только от 20 до 40 процентов общей мощности ветряной электростанции.

Ограничивающим фактором в использовании энергии ветра является то, что скорость ветра непостоянна, и в большинстве случаев энергию ветра можно эффективно использовать только при очень высокой скорости ветра и постоянных сильных ветрах. Обычно они возникают на больших высотах. Энергия ветра также требует больших открытых пространств земли для строительства ветряных электростанций.

В 2008 году мировая мощность ветроэнергетики составляла 121,2 ГВт. В среднем на ветроэнергетику в настоящее время приходится лишь 1,5% мировых мощностей по выработке электроэнергии. Однако за трехлетний период 2005–2008 гг. этот сектор вырос вдвое. Ветроэнергетика составляет 19 % от общего объема производства электроэнергии в Дании, 10 % в Португалии и Испании и 7 % в Ирландии и Германии.

Биотопливо и биомасса

Сюда входит топливо из растительных и животных источников. Нефть или этанол, полученные из таких растений, как сахарный тростник, просо, водоросли, тополь и кукуруза, можно использовать непосредственно или в смеси с другими видами топлива, такими как коммерческое дизельное топливо и бензин, для получения энергии. Даже растительный материал, такой как сухостой, листья, щепа и ветки, можно сжигать для получения энергии. Это обычно классифицируется как биомасса. Биомасса также включает любые биоразлагаемые отходы растительного и животного происхождения, которые можно сжигать в качестве топлива.

Ограничивающим фактором в использовании биотоплива является то, что необходимо выращивать большое количество сельскохозяйственных культур, чтобы собрать энергию, заключенную в растениях. Для этого нужны огромные площади плодородных земель. Кроме того, не все растительные источники обеспечивают высокую урожайность. Проводятся эксперименты по гибридизации и генетическому изменению этих культур, чтобы сделать их более устойчивыми и повысить урожайность. Биотопливо очень перспективно для мелкомасштабного использования, поскольку оно имеет низкий уровень выбросов парниковых газов, представляет собой эффективную систему управления отходами и производит мало загрязнителей воздуха.

С развитием новых технологий и появлением нового понимания нашего окружения ученые смогли придумать еще более авантюрные варианты питания. К ним относятся топливные элементы, геотермальная энергия, энергия приливов и волн и многие другие.

Топливные элементы

Топливные элементы аналогичны батареям, но используют реагенты из внешнего источника, в отличие от автономных батарей. Если уровни топлива и окислителя в топливных элементах поддерживаются должным образом, энергия может вырабатываться почти непрерывно. Эффективность топливных элементов пропорциональна мощности, извлекаемой из них. Кроме того, они легкие и чрезвычайно надежные.

Геотермальная энергия

Недра Земли содержат много тепла. Мелководье содержит горячую воду, камни и пар. Глубже внутри магма очень горячая. Это тепло может быть использовано для производства электроэнергии и различных приложений. Использование геотермальной энергии не требует топлива и минимальной площади земли. Это относительно дешевый и очень устойчивый источник энергии, поскольку количество тепла, содержащегося в земном ложе, настолько велико, что даже если мы используем больше энергии, чем нам требуется, ее все равно хватит на миллионы лет вперед.

Океан Энерджи

Океаны огромны и содержат огромное количество энергии в потоках воды, а также в температурных и соленых градиентах. Энергию приливов и отливов можно использовать для производства электроэнергии. Различия температур, возникающие на разных глубинах, можно использовать для приведения в действие тепловых двигателей, которые, в свою очередь, производят электроэнергию.

Разница осмотического давления между соленой и пресной водой также может быть использована для выработки электроэнергии. Хотя большинство этих методов все еще находится на экспериментальной стадии, при правильном изучении они могут стать прорывом для человечества. Океаны вполне могут утолить нашу жажду энергии и стать королем топлива.
Энергия антивещества :

Одной из самых сложных теорий производства энергии является идея использования материи и антиматерии для производства электроэнергии. Антиматерия противоположна материи. Если материя состоит из частиц, то антиматерия состоит из античастиц.

Ученые предполагают, что если материя и антиматерия столкнутся, они уничтожат друг друга и высвободят огромное количество энергии. Тем не менее, это все еще теоретический источник энергии. Существует ли антиматерия в какой-то части Вселенной и может ли она каким-то образом использоваться, до сих пор остается загадкой для человечества.

Существуют различные способы извлечения энергии из земли, которые человечество открыло и использовало в своих интересах. По мере развития человечества мы будем постоянно искать новые, более эффективные формы энергии, оказывающие наименьшее воздействие на окружающую среду. На сегодняшний день наиболее экономически эффективным топливом оказалась нефть.

В будущем, когда мировые запасы нефти будут исчерпаны, мы будем использовать другой источник энергии; возможно тот, что упомянут выше. Однако в том-то и дело, что мы должны быть активными в исследовании новых форм энергии, чтобы продолжить развитие цивилизации и обеспечить привычное для всех высокое качество жизни.

Как выглядит будущее энергетики?

Перейти к содержимому

Форма поиска

Искать термин

22 мая 2018 г.

Эксперты из Стэнфорда согласны с тем, что мир должен меньше зависеть от ископаемого топлива для получения энергии. Достигнув этого, крупнейший в мире сектор экономики — энергетика — станет более устойчивым, безопасным и доступным для всех.

Эми Адамс

Ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, обеспечивают 80 процентов мировой энергии для обогрева домов, зарядки устройств и транспорта. Они также являются основным источником выбросов парниковых газов человеком. Стэнфордские ученые в целом согласны с тем, что сокращение использования ископаемого топлива принесло бы значительные преимущества, такие как улучшение здоровья и снижение количества и серьезности стихийных бедствий, но пока не ясно, что может их заменить.

Ветер и солнце становятся все более популярными источниками энергии, но не всегда светит солнце и не всегда дует ветер. Батареи для хранения их прерывистой энергии еще не дешевы и недостаточно мощны, чтобы заполнить пробелы. Ядерная энергия напрямую не производит парниковых газов, но у нынешнего поколения реакторов есть другие проблемы. Такие решения, как хранение углекислого газа под землей или превращение его в чистое топливо, многообещающи, но они также нуждаются в серьезной доработке. Ни одно из возможных решений не обходится без проблем.

Восемь исследователей из Стэнфорда описывают, как, среди этих многочисленных вариантов развития, они видят, что мир станет менее зависимым от ископаемого топлива. Нобелевский лауреат по физике и бывший министр энергетики США Стивен Чу, профессор физики, клеточной и молекулярной биологии в Стэнфорде, описывает масштабную проблему, «которую невозможно переоценить», — говорит он. Другие профессора описывают пути к лучшим технологиям, а также государственную политику и финансовые механизмы, необходимые для процветания лучших приложений. Все согласны с тем, что цель состоит в том, чтобы меньше полагаться на источники топлива на основе углерода, и что комбинация решений, а не серебряная пуля, скорее всего, создаст более экологичное энергетическое будущее.

Произведено совместно с Институтом энергетики Стэнфордского предкорта

Как мы туда доберемся? Steven Chu

Стивен Чу, профессор физики и молекулярной и клеточной физиологии из Стэнфорда, обсуждает колоссальную проблему ликвидации глобальных выбросов парниковых газов к концу века.