Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріаломістких видів виробництва енергії.

На думку фахівців, найпривабливішою ідеєю щодо перетворення сонячної енергії є використання фотоелектричного ефекту в напівпровідниках.

Але, для прикладу, електростанція на сонячних батареях поблизу екватора з добовим виробленням 500 МВт·ч (приблизно стільки енергії виробляє досить велика ГЕС). Ясно, що таке величезна кількість сонячних напівпровідникових елементів може. окупитися тільки тоді, коли їх виробництво буде дійсне дешево. Ефективність сонячних електростанцій в інших зонах Землі була б мала із-за нестійких атмосферних умов, щодо слабкої інтенсивності сонячної радіації, яку тут навіть в сонячні дні сильніше поглинає атмосфера, а також коливань, обумовлених чергуванням дня і ночі.

Проте сонячні фотоелементи вже сьогодні знаходять своє специфічне застосування. Вони виявилися практично незамінними джерелами електричного струму в ракетах, супутниках і автоматичних міжпланетних станціях, а на Землі - в першу чергу для живлення телефонних мереж в не електрифікованих районах або ж для малих споживачів струму (радіоапаратура, електричні бритви і запальнички і т.п.).

Атомна енергія.

При дослідженні розпаду атомних ядер виявилось, що кожне ядро важить менше, ніж сума мас його протонів і нейтронів. Це пояснюється тим, що при об'єднанні протонів і нейтронів в ядро виділяється багато енергії. Спад маси ядер на 1г еквівалентний такій кількості теплової енергії, яке вийшло б при спалюванні 300 вагонів кам'яного вугілля. Не дивно тому, що дослідники доклали всіх сил, прагнучи знайти ключ, який дозволив би “відкрити” атомне ядро і вивільнити приховану в нім величезну енергію.

Спочатку це завдання здавалося нерозв'язним. Як інструмент учені не випадково вибрали нейтрон. Ця частинка електрично нейтральна, і на неї не діють електричні сили відштовхування. Тому нейтрон легко може проникнути в атомне ядро. Нейтронами бомбардували ядра атомів окремих елементів. Коли ж черга дійшла до урану, виявилося, що цей важкий елемент поводиться інакше, ніж інші. До речі, слід нагадати, що уран, що зустрічається в природі, містить три ізотопи: уран-238 (238U), уран-235 (235U) і уран-234 (234U), причому цифра означає масове число.

Атомне ядро урану-235 виявилося значно менш стійким, чим ядра інших елементів і ізотопів. Під дією одного нейтрона наступає ділення (розщеплювання) урану, його ядро розпадається па два приблизно однакових уламка, наприклад на ядра криптону і барію. Ці осколки з величезними швидкостями розлітаються у різних напрямах.

Але головне в цьому процесі, що при розпаді одного ядра урану виникають два-три нові вільні нейтрони. Причина полягає в тому, що важке ядро урану містить більше нейтронів, чим їх потрібний для утворення двох менших атомних ядер. “Будівельного матеріалу” дуже багато, і атомне ядро повинне від нього позбавитися.

Кожен з нових нейтронів може зробити те ж, що зробив перший, коли розщепнув одне ядро. Насправді, вигідна калькуляція: замість одного нейтрона отримуємо два-три з такою ж здатністю розщепнути наступні два-три ядра урану-235. І так продовжується далі: відбувається ланцюгова реакція, і, якщо нею не управляти, вона набуває лавинного характеру і закінчується щонайпотужнішим вибухом - вибухом атомної бомби. Навчившись регулювати цей процес, люди дістали можливість практично безперервно отримувати енергію з атомних ядер урану. Управління цим процесом здійснюють в ядерних реакторах.

Ядерний реактор - пристрій, в якому протікає керована ланцюгова реакція. При цьому розпад атомних ядер служить регульованим джерелом і тепла, і нейтронів.

Перший проект ядерного реактора розробив в 1939 р. французький вчений Фредерік Жоліо-кюрі. Але незабаром Францію окуповували фашисти, і проект не був реалізований.

Ланцюгова реакція ділення урану вперше була здійснена в 1942 р. в США, в реакторі, який група дослідників на чолі з італійським ученим Енріко Фермі побудувала в приміщенні стадіону університету Чікаго. Цей реактор мав розміри 6х6х6,7 м і потужність 20 кВт; він працював без зовнішнього охолоджування.

Небаченими темпами розвивається сьогодні атомна енергетика.

В принципі енергетичний ядерний реактор влаштований досить просто - в нім, так само як і в звичайному казані, вода перетворюється на пару. Для цього використовують енергію, що виділяється при ланцюговій реакції розпаду атомів урану або іншого ядерного палива. На атомній електростанції немає величезного парового казана, що складається з тисяч кілометрів сталевих трубок, по яких при величезному тиску циркулює вода, перетворюючись на пару.

Атомні реактори на теплових нейтронах розрізняються між собою головним чином по двох ознаках: які речовини використовуються як сповільнювач нейтронів і які як теплоносій, за допомогою якого проводиться відведення тепла з активної зони реактора.

Але все-таки майбутнє ядерної енергетики, мабуть, залишиться за реакторами-розмножувачами. Звичайні реактори використовують сповільнені нейтрони, які викликають ланцюгову реакцію в досить рідкісному ізотопі - урані-235, якого в природному урані всього біля одного відсотка. Саме тому доводиться будувати величезні заводи, на яких буквально просівають атоми урану, вибираючи з них атоми лише одного сорту урану-235. Решта урану в звичайних реакторах використовуватися не може. Виникає питання: а чи вистачить цього рідкісного ізотопу урану на скільки-небудь тривалий час або ж людство знов зіткнеться з проблемою браку енергетичних ресурсів ?

Немає сумніву в тому, що атомна енергетика зайняла міцне місце в енергетичному балансі людства. Вона безумовно розвиватиметься і надалі, без відмовлено поставляючи таку необхідну людям енергію. Проте знадобляться додаткові заходи по забезпеченню надійності атомних електростанцій, їх безаварійної роботи, а учені і інженери зуміють знайти необхідні рішення.

Воднева енергетика

Багато фахівців висловлюють побоювання по приводу все зростаючій тенденції до суцільної електрифікації економіки і господарства: на теплових електростанціях спалюється все більше хімічного палива, а сотні нових атомних електростанцій, як і сонячні, вітряні і геотермальні станції, що зароджуються, у все ширшому масштабі (і врешті-решт виключно) працюватимуть для виробництва електричної енергії. Тому учені зайняті пошуком принципово нових енергетичних систем.

Передача електроенергії по проводах обходиться дуже дорого: вона складає біля третини собівартості енергії для споживача. Щоб понизити витрати, будують лінії електропередачі все більш високої напруги - воно скоро досягне 1500 кВ. Але повітряні високовольтні лінії вимагають відчуження великої земельної площі, до того ж вони уразливі для дуже сильних вітрів і інших метеорологічних чинників. А підземні кабельні лінії обходяться в 10 - 20 разів дорожче, і їх прокладають лише у виняткових випадках (наприклад, коли це викликано міркуваннями архітектури або надійності).

Серйозну проблему складає накопичення і зберігання електроенергії, оскільки електростанції найекономічніше працюють при постійній потужності і повному навантаженні. Тим часом попит на електроенергію міняється протягом доби, тижні і роки, так що потужність електростанцій доводиться до нього пристосовувати. Єдину можливість зберігати про запас великі кількості електроенергії в даний час дають гідроакумулюючі електростанції, але і вони у свою чергу пов'язані з безліччю проблем.

Всі ці проблеми, що стоять перед сучасною енергетикою, могло б - на думку багатьох фахівців - вирішити використання водню як паливо і створення так званого водневого енергетичного господарства.

Водень, найпростіший і легший зі всіх хімічних елементів, можна вважати ідеальним паливом. Він є усюди, де є вода. При спалюванні водню утворюється вода, яку можна знову розкласти на водень і кисень, причому цей процес не викликає ніякого забруднення навколишнього середовища. Водневе полум'я не виділяє в атмосферу продуктів, якими неминуче супроводжується горіння будь-яких інших видів палива: вуглекислого газу, окислу вуглецю, сірчистого газу, вуглеводнів, золи, органічних перекисів н т.п. Водень володіє дуже високою теплотворною здатністю: при спалюванні 1 г водню виходить 120 Дж теплової енергії, а при спалюванні 1 г бензину - тільки 47 Дж.

Водень можна транспортувати і розподіляти по трубопроводах, як природний газ. Трубопровідний транспорт палива - найдешевший спосіб дальньої передачі енергії. До того ж трубопроводи прокладаються під землею, що не порушує ландшафту. Газопроводи займають менше земельної площі, чим повітряні електричні лінії. Передача енергії у формі газоподібного водню по трубопроводу діаметром 750мм на відстань понад 80км. обійдеться дешевшим, ніж передача тоги ж кількості енергії у формі змінного струму по підземному кабелю. На відстанях більше 450км. трубопровідний транспорт водню дешевший, ніж використання повітряної лінії електропередачі постійного струму з напругою 40кВ, а па відстані понад 900км. - дешевше за повітряну лінію електропередачі змінного струму з напругою 500 кВ.

Водень - синтетичне паливо. Його можна отримувати з вугілля, нафти, природного газу або шляхом розкладання води. Згідно оцінкам, сьогодні в світі проводять і споживають близько 20 млн. т водню в рік. Половина цієї кількості витрачається на виробництво аміаку і добрив, а інша - на видалення сірки з газоподібного палива, в металургії, для гідрогенізації вугілля і інших палив. У сучасній економіці водень залишається швидше хімічним, ніж енергетичною сировиною.

Сучасні і перспективні методи виробництва водню

Зараз водень проводять головним чином (близько 80%) з нафти. Але це неекономічний для енергетики процес, тому що енергія, що отримується з такого водню, обходиться в 3,5 разу дорожче, ніж енергія від спалювання бензину. До того ж собівартість такого водню постійно зростає у міру підвищення цін на нафту.

Невелику кількість водню отримують шляхом електролізу. Виробництво водню методом електролізу води обходиться дорожчим, ніж вироблення його з нафти, але воно розширюватиметься і з розвитком атомної енергетики стане дешевше. Поблизу атомних електростанцій можна розмістити станції електролізу води, де вся енергія, вироблена електростанцією, піде на розкладання води з утворенням водню. Правда, ціна електролітичного водню залишиться вищою за ціну електричного струму, зате витрати на транспортування і розподіл водню настільки малі, що остаточна ціна для споживача буде цілком прийнятна в порівнянні з ціною електроенергії.

Сьогодні дослідники інтенсивно працюють над здешевленням технологічних процесів великотоннажного виробництва водню за рахунок ефективнішого розкладання води, використовуючи високотемпературний електроліз водяної пари, застосовуючи каталізатори і т.п.

Використання водню

Коли водень стане таким же доступним паливом, як сьогодні природний газ, він зможе усюди його замінити. Водень можна буде спалювати в кухонних плитах, у водонагрівачах і опалювальних печах, забезпечених пальниками, які майже або зовсім не відрізнятимуться від сучасних пальників, вживаних для спалювання природного газу.

Як ми вже говорили, при спалюванні водню не залишається ніяких шкідливих продуктів згорання. Тому відпадає потреба в системах відведення цих продуктів для опалювальних пристроїв, що працюють на водні, Більш того, водяну пару, що утворюється при горінні, можна вважати корисним продуктом -- він зволожує повітря (як відомо, в сучасних квартирах з центральним опалюванням повітря дуже сухе). А відсутність димарів не тільки сприяє економії будівельних витрат, але і підвищує до. п. д. опалювання на 30%.

Водень може служити і хімічною сировиною в багатьох галузях промисловості, наприклад при виробництві добрив і продуктів харчування, в металургії і нафтохімії. Його можна використовувати і для вироблення електроенергії на місцевих теплових електростанціях.

Висновок.

Незаперечна роль енергії в підтримці і подальшому розвитку цивілізації. У сучасному суспільстві важко знайти хоч би одну область людської діяльності, яка не вимагала б, - прямо або побічно - більше енергії, чим її можуть дати м'язи людини.

За час існування наший цивілізації багато раз відбувалася зміна традиційних джерел енергії на нових, досконаліших. І не тому, що старе джерело було вичерпане.

Сонце світило і обігрівало людину завжди: і проте одного разу люди приручили вогонь, почали палити деревину. Потім деревина поступилася місцем кам'яному вугіллю. Запаси деревини здавалися безмежними, але парові машини вимагали калорійнішого "корму".

Але і це був лише етап. Вугілля незабаром поступається своїм лідерством на енергетичному ринку нафти.

І ось новий виток в наші дні провідними видами палива поки залишаються нафта і газ. Але за кожним новим кубометром газу або тонної нафти потрібно йти все далі на північ або схід, зариватися все глибше в землю. Зрозуміло, що нафта і газ з кожним роком коштуватимуть нам все дорожче.

Заміна? Потрібний новий лідер енергетики. Ним, поза сумнівом, стануть ядерні джерела.

Запаси урану, якщо, скажімо, порівнювати їх із запасами вугілля, начебто не так вже і великі. Та зате на одиницю ваги він містить в собі енергії в мільйони разів більше, ніж вугілля.

А підсумок такий: при отриманні електроенергії на АЕС потрібно витратити, вважається, в сто тисяч разів менше засобів і праці, чим при витяганні енергії з вугілля. І ядерне пальне приходить на зміну нафти і вугіллю... Завжди було так: наступне джерело енергії було і могутнішим. То була, якщо можна так виразитися, "войовнича" лінія енергетики.

У гонитві за надлишком енергії чоловік все глибше занурювався в стихійний світ природних явищ і до якоїсь пори не дуже замислювався про наслідки своїх справ і вчинків.

Але часи змінилися. Поза сумнівом, в майбутньому паралельно з лінією інтенсивного розвитку енергетики отримають широкі права громадянства і лінія екстенсивна: розосереджені джерела енергії не дуже великої потужності, та зате з високим ККД, екологічно чисті, зручні в обігу.

Розповідь про енергію може бути нескінченна, необчислені альтернативні форми її використання за умови, що ми повинні розробити для цього ефективні і економічні методи. Не так важливо, яке ваша думка про потреби енергетики, про джерела енергії, її якість, і собівартість. Нам, мабуть. слід лише погодитися з тим, що сказав вчений мудрець, ім'я якого залишилося невідомим: "Немає простих рішень, є тільки розумний вибір".

Страницы: 1, 2, 3, 4