ЭНЕРГЕТИКА СЕГОДНЯ И ЗАВТРА
Манфред Х.Паль, университет г.Падерборн
1.Введение
Под энергией понимается в целом способность
производить внешние воздействия. В технике существуют различные виды энергии, которые
могут преобразовываться одна в другую. Наиболее важными видами энергии являются:
2. Потребность в энергии
• химическая ( уголь, нефть, газ)
• тепловая ( печи, холодильники)
• электрическая (электростанция)
• механическая (двигатели)
• энергия излучения(солнце)
Энергия является основой жизни. От количества
энергии и вариативности ее использования зависит развитие техники и, собственно,
жизненный стандарт людей. Примером может служить приготовление пищи, обогрев,
соответственно охлаждение жилья, перевозка людей и грузов, коммуникации,
функционирование промышленности.
Не смотря на то, что при использовании энергии не происходят ее потери [1-3],
а лишь ее преобразование, говорят о потреблении энергии. Под этим понимается,
что при определенном процессе только часть используемой энергии может быть
продуктивно использована. Например, КПД при использовании тепловой энергии
пара при производстве электрической энергии составляет только 38% в случае, если
оставшаяся энергия не используется по-другому. КПД при преобразовании электрической
энергии в механическую или тепловую приближается к 100% [4].
Потребность в энергии на Земле тесно связано
с численностью населения и степенью ее потребления. В 2005году население Земли
составляло 6 миллиардов человек и эта цифра к 2050 году возрастет до 9-10 млрд.
В первом приближении увеличение потребления энергии показано на рис.1
Рисунок 1 – Развитие мирового потребления энергии [5]
Земля постоянно получает поток энергии
излучения, равный 178000*109 кВт. При помощи воздушной оболочки
Земля выделяет температуру 150С вместо -180С. Примерно 31% излучаемой
энергии рефлектируется в атмосферу и 33% служит для нагрева морей. Часть
солнечной энергии может быть использована регенеративно в качестве энергии ветра,
воды и энергии излучения. Например, ветер и волны в среднем имеют кинетическую
энергию 370*109 кВт. Преобразование солнечной энергии происходит в очень малой
части в биомассу [4]. Существует также геотермальная и планетарная энергия и
процессы разложения атома.
За прошедшие миллионы лет образовались
такие источники энергии полезных ископаемых как нефть, уголь и природный газ.
Эти источники и уран будут исчерпаны по прошествию времени. В настоящее время
человечество получает основную часть необходимой ему энергии 10*109 кВт от
сжигания горючих добываемых полезных ископаемых.
Рисунок 2 – Мировое потребление энергии в зависимости от численности населения [5]
3. Энергоносители
Относительное энергопотребление
в зависимости от числа населения показывает рисунок 2.
Исследования 2003 года [5] показали,
что развивающиеся страны при 56% численности мирового населения потребляют
только 21% энергии, в то время как Северная Америка с 5% численностью
мирового населения – почти 26%. Так как ресурсы ограничены, возникает вопрос,
на сколько хватит различных источников энергии, использование которых
вызывает непоправимый экологический урон; существуют ли возобновляемые
источники энергии; и как дорого стоит их альтернативное использование по
отношению к углю, нефти, газу и атомной энергии? Какое значение будет иметь
фактор жизни «Энергия» уже сегодня и в ближайшем будущем, зависит от вида
и количества имеющегося в наличии энергетического сырья, их экономного и
экологического использования людьми, а так же от того, будут ли найдены новые,
экономически выгодные источники энергии?
В России использование ископаемых
энергоносителей все еще очень проблематично. А именно, в быту потребляется
вдвое больше энергии на отопление, чем в Германии. Между тем в США все более
снижается потребления бензина, и как результат, происходит сильное изменение
инфраструктуры жизни людей.
Говоря об энергоресурсах, подразумевают,
как правило, запасы угля, прородного газа, нефти и урана. Согласно исследованиям
„Club of Rome", проводимого в 70-е годы, будут исчерпаны через некоторое время
запасы газа и нефти. В действительности в последнее время было найдено больше
новых месторождений по сравнению со старыми уже разрабатываемыми. Но так не
может долго продолжаться. Рисунок 3 свидетельствует: при современном потреблении
угля, его будет достаточно на 230 лет, нефти – на 40 лет. Из-за очень быстрого
экономического роста Китая, уже сейчас возникают трудности с энергоснабжением.
Цены подвержены сильным колебаниям кроме всего прочего и по политическим
мотивам.
Рисунок 3 – Резервы энергоносителей во времени при нынешнем производстве[5]
Распределение энергоносителей в мире
неравномерно. Рисунок 4 показывает месторасположение отдельных энергоносителей
на Земле. Для распределения энергоносителей существуют несколько важных критериев.
Газ и нефть можно легко транспортировать по суше при помощи трубопроводов.
Большие запасы угля в Сибири не представляют интереса для Западной Европы,
так как они частично содержат высокую долю примесей и транспортировка угля
автомобильным или железнодорожным транспортом является слишком дорогой.
Для Германии уголь, транспортируемый из Австралии по морю дешевле, чем
российский или немецкий.
Углеводороды накапливаются не только
в форме угля, нефти и газа. При высоком давлении и низкой температуре метан и
вода образуют подобно льду твердый метангидрат. При повышении температуры
или понижении давления, вода становится жидкой, а метан - газообразным.
Выделяемый метан может использоваться и как природный газ. Значительное
количество метангидратов залегают под дном океанов. Но добыча метангидратов
является экологически рискованной и технически еще не осуществимой. Время
добычи полезных ископаемых будет еще длиться дольше, чем это предполагалось ранее [6].
Рисунок 4 – Мировое распределение энергетических ресурсов [5]
Электрический ток
рассматривается как "чистая" и легко используемая в применении энергия.
Рисунок 5 показывает современное распределение в мире производства
электрической энергии по сравнению с Германией. Очевидно, что 65%
мировой электроэнергии добывается из полезных ископаемых и 30,7%
из энергии воды. Эта ситуация актуальна и для Германии, хотя энергия
воды и атомная энергия составляют примерно 18%.
Рисунок 5 – Современное распределение производства электрической энергии в мире по сравнению с Германией
4. Возобновляемая энергия
Необходимо найти и
обеспечить использование других, по возможности экономически
выгодных энергоносителей с целью сокращения использования ископаемых
энергоносителей ввиду их ограниченного количества и возникновения
при их использовании парникового эффекта, а так же по причине того,
что атомная энергия не является альтернативной ввиду своей
потенциальной опасности.
Говоря о понятии
возобновляемая или регенеративная энергия, подразумевают
источники энергии, которые не могут быть исчерпаемы за
время жизни людей на Земле. Теоретически, возобновляемая
энергия способна покрыть всю антропогенную потребность
в ней. Но для этого необходимо полностью перестроить
энергетическую промышленность. Рисунок 6 показывает,
увеличение в Германии за последние 10 лет в четыре
раза установленных мощностей регенеративных
электростанций.
Рисунок 6 – Установленные мощности регенеративных электростанций в Германии [9]
Геотермальная и планетарная энергии.
Использование прямой солнечной энергии
Гидроэлектростанции
существуют во всем мире уже достаточно долгое время. Самые
большие электростанции Вихан(Китай) и Абакан (Россия)
имеют огромные мощности. Некоторые формы энергии,
такие как энергия ветра, имеют сильно изменяющееся количество
предполагаемой в текущий момент времени энергии. Древесина,
как СО2 – нейтральный энергоноситель и для погодообразования
важный естественный материал, перерабатывается сегодня в
прессованные, легко используемые брикеты. Если не учитывать
гидроэлектростанции, то в большинстве индустриальных стран
в настоящее время часть используемой регенеративной энергии
составляет меньше 10%. Тем не менее, создание смешанного
использования энергии уже сегодня очень важно, оптимизируя
состав этой смеси для каждого отдельно взятого населенного
пункта.
Геотермальная энергия
– это внутренняя энергия Земли. Там господствуют температуры
от 30000С до 100000С, обусловленные радиоактивными реакциями.
На сегодняшний день ограничено использование геотермальной
энергии прежде всего в областях с геотермальными аномалиями
как, например, в Исландии, где горячие зоны лежат в
непосредственной близости к поверхности. По методу
"Hot-Dry-Rock" нагревается холодная вода на глубине от
1000 - 10000м в пещерах до 3000С и посредством насоса
подается на поверхность. В принципе, тепла Земли достаточно,
чтобы покрыть современную потребность в энергии.
Под влиянием планет,
преимущественно под влиянием Луны, приводятся в движение
огромные массы воды. Ежедневно приливы и отливы позволяют
использовать энергию воды. Однако в мире работает лишь
небольшое число приливных электростанций. Самая большая
в 240 МВт находится в устье реки Mю во Франции. При
функционировании такого рода крупных электростанций
нарушается экологическое равновесие природы.
Если солнечное излучение преобразуется
непосредственно в каком-либо устройстве в другую форму, то и говорят о его прямом использовании.
Три простых примера:
а) правильное расположение дома по отношению к солнцу;
б) использование покрытых стеклом зимних садов и теплиц, в которые проникает коротковолновой свет, а длинноволновое тепловое излечение проникает в помещение ограничено;
в) нагрев воды для бытового использования в емкостях или при протекании воды по черным трубам на крышах.
Рисунок 7 - Функциональный принцип фотоэлектрического преобразования
Использование непрямой солнечной энергии
Таблица 2 - Доля вырабатываемой энергии гидростанций в некоторых странах Европы
Страна Норвегия Исландия Австрия Швейцария Франция Германия Нидерланды Доля 99% 94% 72% 58% 16% 4% 0,2 %
Литература
С помощью большого пораболического зеркала концентрируется солнечная энергия
и возможно достижение температуры от 250-4000С до 40000С. При наличии достаточного
количества площадей, возможна работа электростанции при помощи водяного пара.
В фотоэлектрическом преобразователе ( рис.7)
посредством кремниевых полупроводников электрический ток вырабатывается непосредственно
из солнечного света. Если электроны преодолевают запрещенную зону от валентной до зоны
проводимости, то они попадают в n-область.
При наличии нагрузки замыкается электрическая цепь.
В современных солнечных элементах КПД достигает 20%. Затраты на получение тока
посредством таких фотопреобразователей значительно ниже, чем при традиционном
производстве электрической энергии. Мощность солнечных генераторов колеблются
от mВт для калькуляторов и часов до 1 МВт установок. 7812 фотопреобразователей
площадью 38100м2 вырабатывают порядка 1млн.кВт/ч в год. Это соответствует
среднегодовому потреблению энергии 340 квартир. В 1990 году правительство
Германии приняло программу "1000 крыш", и было построено 2250 установок,
которые вырабатывают от 1 до 5 кВт (согласно рисунку 7). При достаточном
количестве фотопреобразователей возможно покрыть всю потребность Германии в
электроэнергии, но при наличии больших затрат.
Благодаря солнечному излучению определяется
погода с осадками, движение волн в морях и сильное передвижение воздушных масс.
В дальнейшем, посредством фотосинтеза образуется биомасса. Если преобразовывать
энергию из этих промежуточных продуктов, то можно говорить о непрямом использовании.
На сегодняшний день особо важными являются:
• сила воды (энергия)
• энергия ветра
• растущая биомасса
История гидроэлектростанций насчитывает
многие сотни лет. Изначально сила воды использовалась в мельницах только
механически. Производство электрического тока началось в 1900 году с
использованием вращающейся турбины, которая приводила в действие
генераторы. Сегодня эта техника получила свое развитие: существуют гигантские
электростанции с градирнями до 200м в высоту, мощностью турбин до 800 МВт
и с 20 турбинами. Часть электроэнергии, получаемой при помощи воды в
некоторых странах Европы показана в табл.2
Из таблицы видно,что в Германии эта величина составляет только 4%.
В то время,как мельницы для перемалывания
зерновых известны уже давно, в последние 10 лет были построены ветрокомплексы с
более чем 100 ветроустановок. Современные ветроустановки достигают высоты примерно
100 метров, имеют трехкрыльчатый ротор с размахом до 70 метров и мощность до 3МВт.
При помощи измерения силы ветра и устойчивости грунта создаются специальные карты
для определения наиболее подходящего места для строительства ветропарка . Лопасти
ротора вращаются автоматически в оптимальном направлении ветра. Так как скорость
ветра часто меняется, а переменный ток должен иметь всегда одинаковую частоту 50 Гц,
используются специальные электрические выключатели.
Растущие леса или другая биомасса все менее
используется в индустриальных городах для отопления, так как это не очень удобно.
Как показано выше, использование ископаемых
энергоносителей в нынешних объемах может в ближайшее время привести к резкому
снижению их запасов и к парниковому эффекту. Развитие методик использования
возобновляемой энергии могло бы решить эту проблему. Известно много возможностей,
но они должны быть экономически выгодными и технически
выполнимыми.
[1] Baehr, H.D.: Thermodynamik. Springer-Verlag, Berlin,
Heidelberg. 1996.
[2] Knoche, K.F.: Technische Thermodynamik. Vieweg-Verlag,
Braunschweig. 1992
[3] Cerbe, G., Einführung in die Thermodynamik. Carl-Hanser-Verlag,
Hoffmann, H.-J.: München, Wien. 1999
[4] Zahoransky, R.A.: Energietechnik. Vieweg-Verlag. 2002.
[5] N. N.: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr
und Technologie. Internet 2003.
[6] Span, R.: Persönliche Mitteilungen. Universitat Paderborn. 2004.
[7] N. N.: Umweltbereich Luft. Fond der chemischen Industrie,
Frankfurt. 1995
[8] N. N. : Enquete Kommission. „Schutz der Erdatmosphare" des
12. Bundestages. Economica Verlag, Bonn. 1995.
[9] Quaschning, V.: Regenerative Energie-Systeme. Hanser - Verlag, München,1998.
[10] Köthe, H. K.: Stromversorgung mit Solarzellen. München. 1994.