Энергия и ее виды. Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии. Энергия

24.08.2019

Виды, способы получения, преобразования и использования энергии. Энергия и ее виды. Назначение и использование

Энергия и ее виды. Назначение и использование

Энергия играет решающую роль в развитии человеческой цивилизации. Потребление энергии и накопление Информации имеют примерно одинаковый характер изменения во времени. Существует тесная связь между расходом энергии и объемом выпускаемой продукции.

Согласно представлениям физической науки энергия это способность тела или системы тел совершать работу. Существуют различные классификации видов и форм энергии. Назовем те ее виды, с которыми люди наиболее часто встречаются в своей повседневной жизни: механическая, Электрическая, электромагнитная и внутренняя. К внутренней энергии, относятся тепловая, химическая и внутриядерная (атомная). Внутренняя форма энергии обусловлена потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих тело, или кинетической энергией их беспорядочного движения.

Если энергия результат изменения состояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической; к ней относят механическую энергию движения тел, тепловую энергию, обусловленную движением молекул.

Если энергия результат изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию.

Основной источник энергии это солнце. Под действием его лучей хлорофилл растений разлагает углекислоту, поглощаемую из воздуха, на кислород и углерод; последний накапливается в растениях. Уголь, подземный газ, торф, сланцы и дрова представляют собой запасы лучистой, энергии солнца, извлеченные хлорофиллом в виде химической энергии угля и углеводородов. Энергия воды также получается за счет солнечной энергии, испаряющей воду и поднимающей пар в высокие слои атмосферы. Ветер, используемый в ветряных двигателях, возникает в результате различного нагревания солнцем земли в разных местах. Огромные запасы энергии заключены в ядрах атомов химических элементов.

В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят джоуль. Если расчеты связаны с теплотой, биологической, электрической и многими другими видами энергии то в качестве единицы энергии применяется калория (кал) или килокалория (ккал).

1 кал = 4,18 Дж.

Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ваттч (Втч, кВтч, МВтч).

1 Вт. ч = 3,6 МДж или 1 Дж = 1 Вт. с.

Для измерения механической энергии пользуются такой единицей, как кг. м.

1 кг. м = 9,8 Дж.

Энергия, которая содержится в природных источниках (энергоресурсах) и может быть преобразована в электрическую, механическую, химическую, называется первичной.

К традиционным видам первичной энергии, или энергоресурсам, относятся: органическое топливо (уголь, нефть, газ и др.), гидроэнергия рек и ядерное топливо (уран, торий и др.).

Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на специальных установках станциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т. д.).

В настоящее время широко ведутся работы по применению нетрадиционных, возобновляемых источников энергии: солнечной, ветра, приливов, морских волн, теплоты земли. Эти источники, помимо того, что они возобновляемы, относятся к «чистым» видам энергии, т. к. их использование не приводит к загрязнению окружающей среды.

На рис. 10.1.1 приведена классификация первичной энергии. Выделены традиционные виды энергии, во все времена широко использовавшиеся человеком, и нетрадиционные, сравнительно мало использовавшиеся до последнего времени в силу отсутствия экономичных способов их промышленного преобразования, но особо актуальные сегодня ввиду их высокой экологичности.

Рис. 10.1.1. Схема классификации первичной энергии

На классификационной схеме невозобновляемые и возобновляемые виды энергии обозначены, соответственно, белыми и серыми прямоугольниками.

Потребление энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе энергетического производства, в котором можно выделить пять стадий: 1. Получение и Концентрация энергетических ресурсов: добыча и обогащение топлива, концентрация напора воды с помощью гидротехнических сооружений и т. д.

2. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энергию; она осуществляется перевозками по суше и воде или перекачкой по трубопроводам воды, нефти, газа и т. д.

3. Преобразование первичной энергии во вторичную, имеющую наиболее удобную для распределения и потребления в данных условиях форму (обычно в электрическую и тепловую энергию).

4. Передача и распределение преобразованной энергии.

5. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в которой она доставлена потребителю, так и в преобразованной.

Если общую энергию применяемых первичных энергоресурсов принять за 100%, то полезно используемая энергия составит только 35—40%, остальная часть теряется, причем большая часть в виде теплоты.

Преимущество электрической энергии

С далеких исторических времен развитие цивилизации и технический прогресс непосредственно связаны с количеством и качеством используемых энергоресурсов. Немногим более половины всей потребляемой Энергии используется в виде тепла для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля электрической энергии с каждым годом растет (рис. 10.2.1).

Рис. 10.2.1. Динамика потребления электрической энергии

Электрическая энергия является наиболее удобным видом энергии и по праву может считаться основой современной цивилизации. Подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации производственных процессов (оборудование, приборы, ЭВМ), замена человеческого труда машинным в быту имеют электрическую основу.

Почему же так быстро растет спрос именно на электрическую энергию, в чем ее преимущество?

Ее широкое использование обусловлено следующими факторами: возможностью выработки электроэнергии в больших количествах вблизи месторождений и водных истоков;

возможностью транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;
возможностью трансформации электроэнергии в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую, световую;
отсутствием загрязнения окружающей среды;
возможностью применения на основе электроэнергии принципиально новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.

Рассматриваемые вопросы:

1. Определение энергии.

2. Виды энергии

3. Назначение и использование энергии.

В окружающем нас мире материя существует в форме вещества, поля и физического вакуума. В форме вещества и поля материя обладает массой, импульсом, энергией. Необходимым условием любого действия, взаимодействия и вообще существования является потребление энергии, обмен энергией. В человеческом обществе уровень культуры как материальной, так и духовной находится в тесной связи с количеством потребляемой энергии. Уровнем энерговооруженности определяется экономика любой страны. Так что же такое энергия?

1. Энергия и ее виды

Энергия – всеобщая основа природных явлений, базис культуры и всей деятельности человека. В то же время под энергией понимается количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую.

Согласно представлениям физической науки, энергия – это способность тела или системы тел совершать работу.

В природе существует около 20 научно обоснованных видов энергии. Существуют также различные классификации видов и форм энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механическая, электрическая, электромагнитная, тепловая, химическая, атомная (внутриядерная), гравитационная и другие виды. На практике непосредственно применяются всего 4 вида энергии: тепловая (70-75%), механическая (20-22%), электрическая (3-5%), электромагнитная – световая (15%).

Более двух третей всей потребляемой энергии используется в виде теплоты для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставщаяся часть – в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля использования электрической энергии постоянно возрастает.

Если энергия – результат изменения состояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической; к ней относят механическую энергию движения тел, тепловую энергию, обусловленную движением молекул.

Если энергия – результат изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию.

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.

Механическая энергия – проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах – транспортных и технологических.

Тепловая энергия – энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ. Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока). Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).

Этот вид энергии является наиболее совершенным, благодаря следующим факторам:

Возможности получения ее в больших количествах вблизи месторождений горючих ископаемых или водных источников;
Удобству транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;
Способности трансформации в другие виды энергии;
Отсутствию загрязнения окружающей среды;
Возможности создания принципиально новых технологических процессов с высокой степенью автоматизации и роботизации производства.

Химическая энергия – это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой энергии при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.

Магнитная энергия – энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. При прохождении электрического тока по цепи вокруг проводника создается магнитное поле. Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как «оборотную» сторону другой. Поскольку электрическая и магнитная энергия тесно связаны, на практике используется понятие электромагнитная энергия.

Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Перечисленные диапазоны излучения отличаются длиной волны (и частотой):

Радиоволны – больше 10 -2 см;
Инфракрасное излучение – 2*10 -4 – 7, 4*10 -5 ;
Видимый свет - 7, 4*10 -5 -4*10 -5 ; (420-760 нм);
Ультрафиолетовое излучение - 4*10 -5 -10 -6 ;
Рентгеновское излучение – 10 -5 -10 -12 ;
Гамма излучение – больше чем 10 -12 см.

Таким образом, электромагнитная энергия – это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия – энергия, локализованная в ядрах атомов радиоактивных веществ . Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

Бытует и старое название данного вида энергии – атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.

Гравитационная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли – энергия силы тяжести.

Часто в особые виды энергии выделяют биологическую и психическую энергии. Однако, согласно современным воззрениям естествознания, психические и биологические процессы это особая группа физико-химических процессов, но они осуществляются на основе описанных выше видов энергии.

Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира – гравитационную, энергию взаимодействия тел – механическую, энергию молекулярных взаимодействий – тепловую,

К энергии , образующейся на уровне микромира , относят – энергию атомных взаимодействий – химическую; энергию излучения – электромагнитную; энергию, заключенную в ядрах атомов – ядерную.

Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии и закон сохранения энергии.

В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят Джоуль (Дж). 1 Дж эквивалентен
1 ньютон х метр (Нм). Если расчеты связаны с теплотой, с расчетом энергии биологических объектов и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии применяется внесистемная единица - калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал=4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт·час (Вт·ч, кВт·ч, МВт·ч), 1 Вт·ч=3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг·м=9,8 Дж.

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), и которая может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую называется первичной . В соответствии с классификацией энергоресурсов по признаку исчерпаемости, можно классифицировать и первичную энергию. На рис. 1 представлена схема классификации первичной энергии.

Энергия приливов

Геотермальная энергия

Энергия морских волн

Биологическое топливо

Энергия ветра

Солнечная энергия

Нетрадиционные виды энергии

Газообразные виды топлива

Жидкие виды топлива

Твёрдые виды топлива

Атомная энергия

Гидроэнергия рек

Органическое топливо

Традиционные виды энергии

Первичная энергия

Рис. 1. Классификация первичной энергии

Энергия, получаемая человеком, после преобразования первичной энергии на специальных установках - станциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т.д.).

Немногим более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла для технических нужд , отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть - в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии.

Электрическая энергия по праву может считаться основой современной цивилизации. Это обусловлено ее преимуществами и удобством использования. Подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации производственных процессов (оборудование, приборы, ЭВМ), замена человеческого труда машинным в быту имеют электрическую основу.

Электрическая энергия – наиболее универсальный вид энергии. Она нашла широкое применение в быту и во всех отраслях народного хозяйства. Насчитывается свыше четырехсот наименований электробытовых приборов: холодильники, стиральные машины, кондиционеры, вентиляторы, телевизоры, магнитофоны, осветительные приборы и т.д. Нельзя представить промышленность без электрической энергии. В сельском хозяйстве применение электричества непрерывно расширяется: кормление и поение животных, уход за ними, отопление и вентиляция, инкубаторы, калориферы, сушилки и т.д.Электрификация – основа технического прогресса любой отрасли народного хозяйства. Она позволяет заменить неудобные для использования энергетические ресурсы универсальным видом энергии – электрической энергией, которую можно передавать на любое расстояние, превращать в другие виды энергии, например, в механическую или тепловую, делить ее между потребителями.

Преимущества электроэнергии:

1. Электрическая энергия универсальна, она может быть использована для самых различных целей. В частности, ее очень просто превратить в тепло, свет. Это делается, например, в электрических источниках света (лампочках накаливания), в технологических печах, используемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превращение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических моторов.

2. При потреблении электрической энергии ее можно бесконечно дробить. Так, мощность электрических машин в зависимости от их назначения различна: от долей ватта в микродвигателях, применяемых во многих отраслях техники и в бытовых изделиях, до огромных величин, превышающих миллион киловатт, в генераторах электростанций.

3. В процессе производства и передачи электрической энергии, можно концентрировать ее мощность, увеличивать напряжение и передавать по проводам как на малые, так и на большие расстояния любое количество электрической энергии от электростанции, где она вырабатывается, всем ее потребителям.

Развитие естествознания на протяжении жизни человечества неопровержимо доказало, что энергия никогда не создается из ничего и не уничтожается бесследно, она только переходит из одного вида в другой, т.е.

сумма всех видов энергии остается постоянной. В этом состоит суть одного из самых фундаментальных законов Вселенной – закон сохранения энергии.

При любых обсуждениях вопросов, связанных с использованием энергии, необходимо отличать энергию упорядоченного движения, известную в технике под названием свободной энергии (механическая, химическая, электрическая, электромагнитная, ядерная) и энергию хаотического движения , т.е. теплоту.Любая из форм свободной энергии может быть практически полностью использована. В то же время хаотическая энергия тепла при превращении в механическую энергию теряется в виде тепла. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Более того, в настоящее время практически нет способа непосредственного превращения химической и ядерной энергии в электрическую и механическую , как наиболее используемые. Приходится внутреннюю энергию веществ превращать в тепловую, а затем в механическую или электрическую с большими неизбежными теплопотерями.Таким образом, все виды энергии после выполнения ими полезной работы превращаются в теплоту с более низкой температурой, которая практически непригодна для дальнейшего использования.

Закон сохранения энергии нашел подтверждение в различных областях – от механики Ньютона до ядерной физики. Причем закон сохранения энергии – это не только плод воображения или обобщения экспериментов. Вот почему можно полностью согласиться с утверждением одного из крупнейших физиков-теоретиков Пуанкаре: «Так как мы не в силах дать общего определения энергии, принцип ее сохранения означает, что существует нечто, остающееся постоянным. Поэтому, к каким бы новым представлениям о мире не привели нас будущие эксперименты, мы заранее знаем: в них будет нечто остающееся постоянным, что можно назвать ЭНЕРГИЕЙ».

Учебная дисциплина "Основы энергосбережения" призвана вооружить будущего специалиста знаниями общих законов и подходов к расчету процессов, возникающих при получении, трансформации и передаче энергии.

3. Проблемы использования энергии человеком

Из всех видов энергоресурсов энергия Солнца имеет особое значение. Все виды энергоресурсов есть результат естественных преобразований солнечной энергии. Уголь, нефть, природный газ, торф, горючие сланцы и дрова – это запасы лучистой энергии Солнца, извлеченные и преобразованные растениями. В процессе реакции фотосинтеза из неорганических элементов окружающей среды – воды Н 2 О и углекислого газа СО 2 – под воздействием солнечного света в растениях образуется органическое вещество, основным элементом которого является углерод С . В определенную геологическую эпоху на протяжении миллионов лет из отмерших растений под воздействием давления и температурного режима, которые, в свою очередь, являются результатом конкретного количества энергии Солнца, падающего на Землю, и образовались органические энергетические ресурсы, основу которых составляет углерод, ранее накопленный в растениях. Энергия воды также получается за счет солнечной энергии, испаряющей воду и поднимающей пар в высокие слои атмосферы. Ветер возникает за счет различной температуры нагревания Солнцем разных точек нашей планеты. Кроме того, непосредственно излучение Солнца, приходящееся на поверхность Земли, обладает огромным потенциалом энергии.

Таким образом, образование органического топлива является результатом, с одной стороны, естественных преобразований солнечной энергии, а с другой, – результатом теплового, механического и биологического воздействия в течение многих столетий на останки растительного и животного мира, откладывавшиеся во всех геологических формациях. Все это топливо имеют углеродную основу, и энергия высвобождается из него, главным образом, в процессе образования диоксида углерода (СО2).

На протяжении всего своего существования человечество использовало энергию, накопленную природой в течение миллиардов лет. При этом способы ее использования постоянно совершенствовались с целью получения максимальной эффективности .

Так, в самом начале своего эволюционного развития человеку была доступна только энергия мышц его тела . Позднее человек научился получать и использовать энергию огня . Очередной виток эволюционного развития человеческого общества принес возможность использовать энергию воды и ветра – появились первые водяные и ветряные мельницы, водяные колеса, парусные суда, использующие силу ветра для своего перемещения. В XVIII веке была изобретена паровая машина, в которой тепловая энергия , полученная в результате сжигания угля или древесины, превращалась в энергию механического движения. В XIX веке была открыта вольтовая дуга, электрическое освещение, изобретен электродвигатель, а затем и электрогенератор, - что и явилось началом века электричества . XX век явил собой подлинную революцию в освоении человечеством способов получения и использования энергии: строятся тепловые, гидравлические, атомные электростанции огромной мощности, сооружаются линии передачи электрической энергии высокого, сверх- и ультравысокого напряжения, разрабатываются новые способы производства, преобразования и передачи электроэнергии (управляемая термоядерная реакция, магнитогидродинамический генератор, сверхпроводниковые турбогенераторы и т.д.), создаются мощные энергосистемы . В это же время появляются мощные системы нефте- и газоснабжения.
Таким образом, окружающий нас мир обладает поистине неиссякаемым источником различных видов энергии. Некоторые из них еще в полной мере не используются и в нынешнее время – энергия Солнца, энергия взаимодействия Земли и Луны, энергия термоядерного синтеза, энергия тепла Земли .

Сейчас энергия играет решающую роль в развитии человеческой цивилизации. Существует тесная взаимосвязь между расходом энергии и объемом выпускаемой продукции. Энергетика имеет большое значение в жизни человечества. Уровень ее развития отражает уровень развития производительных сил общества, возможности научно-технического прогресса и уровень жизни населения. К сожалению, большинство энергии, потребляемой человеком, превращается в бесполезное тепло из-за низкой эффективности использования имеющихся энергетических ресурсов.

Ориентировочное распределение потребляемой энергии за год в мире приведено в табл. 1.1. Величина энергии дается в количестве угля в мегатоннах (Мт), который при сгорании дал бы ту же энергию.
На питание людей ежегодно идет около 400 Мт, из которых около 40 Мт превращается в полезный труд. На бытовые нужды расходуется около 800 Мт, на общественное производство – 1000 Мт.

Таблица1.1
Годовое потребление энергии в мире

Форма энергии	Количество, Мт	Источник
Питание людей и корм рабочего скота	650	Солнечный свет (в настоящем)
Дрова	150	Солнечный свет (в прошлом)
Гидроэлектростанции	100	Движение воды
Уголь, нефть, газ, торф	6 600	Солнечный свет (в прошлом)

Таким образом, из годового потребления, составляющего 7500 Мт, полезно используется 2200 Мт, остальное растрачивается в виде теплоты . Но даже эффективностью 2200/7500 Мт человечество не может похвастаться, так как не учтено падающее на Землю солнечное излучение, составляющее 10000000 Мт в год.

Рис. 2 Распределение энергии солнечного света.

Неравномерность использования энергии населением представлена на рис.3.

Рис. 3.Неравномерность использования энергии населением.

Энергия сыграла решающую роль в развитии цивилизации. Потребление энергии и накопление информации имеет примерно одинаковый характер изменения во времени, тесна связь между расходом энергии и объемом выпускаемой продукции. Установлено, что для удовлетворения физиологических потребностей человеку современному требуется приблизительно столько же энергии, сколько и человеку первобытному. В то же время рост потребления энергии поразительно высок. Но именно благодаря ему человек значительную часть своей жизни может посвятить досугу, образованию, созидательной деятельности, добился теперешней высокой продолжительности жизни.
Мы считаем энергию чем-то нужным, способным работать на нас.

Снабжение общества энергией необходимо для: обогрева помещений, обеспечения передвижения, выпуска необходимых нам товаров, поддержания работоспособности различных машин, механизмов, приборов, приготовления пищи, освещения, поддержания жизнедеятельности и т.д.

Эти примеры применения энергии можно разделить на три большие группы:
а) энергия питания . Она дороже других видов энергии: пшеница в перерасчете на Джоули гораздо дороже, чем уголь. Питание дает тепло для поддержания температуры тела, энергию для его движения, для осуществления умственного и физического труда;
б) энергия в виде тепла для обогрева домов и приготовления пищи. Она дает возможность жить в различных климатических условиях и разнообразить пищевой рацион человека;
в) энергия для обеспечения функционирования общественного производства. Это энергия для производства товаров и услуг, физического перемещения людей и грузов в пространстве, для поддержания работоспособности всех систем коммуникаций. Затраты этой энергии на душу населения значительно выше, чем затраты энергии на питание.

К сожалению, динамика развития цивилизации такова, что с каждым годом человечеству требуется все больше энергии для своего существования и развития. Несмотря на наличие большого количества энергоресурсов и использование человечеством различных видов энергии, скорость потребления энергетических ресурсов заметно превышает возможности их возобновления природой. Это в первую очередь касается невозобновимых природных ресурсов. Потребности человека растут, людей становится все больше и это вызывает гигантские объемы производства энергии и темпы роста ее потребления. Сегодня традиционные источники энергии (различные топлива, гидроресурсы) и технологии их использования уже не способны обеспечивать требуемый уровень энерговооруженности общества, потому что это невозобновляемые источники. И хотя разведанные запасы природных топлив очень велики, проблема истощения природных кладовых при нынешних и прогнозируемых темпах их разработки переходит в реальную и недалекую перспективу . Уже сегодня ряд месторождений из-за истощения оказывается непригодным для промышленной разработки, и за нефтью и газом, например, приходится идти на труднодоступные, отдаленные территории, на океанские шельфы и т.п. Серьезные прогнозисты доказывают, что при сохранении нынешних объемов и темпов роста энергопотребления в 3 … 5 % (а они без сомнения будут еще выше) запасы органических топлив полностью иссякнут через 70 – 150 лет.

Другим фактором, ограничивающим значительное увеличение объемов выработки энергии за счет сжигания топлива, является все возрастающее загрязнение окружающей средыотходами энергетического производства . Эти отходы значительны по массе и содержат большое количество различных вредных компонентов. Так, при производстве 106 кВт⋅_ч электроэнергии на современной электростанции, работающей на твердом топливе, в окружающую среду сбрасываются 14 000 кг шлака, 80 000 кг золы, 1 000 000 кг диоксида углерода, 14000 кг диокиси серы,4 000 кг окислов азота, 100 000 кг водяных паров, а также соединения фтора, мышьяка, ванадия и других элементов. А ведь количество вырабатываемой в год электроэнергии исчисляется сотнями и тысячами миллиардов киловатт-часов! Вот откуда кислотные дожди, отравления сельхозугодий и водоемов и тому подобные явления. Причем природа уже не в состоянии естественными физико-химическими и микробиологическими способами переработать эти загрязнения и самовосстановиться.

В ядерной энергетике возникают экологические проблемы другого рода. Они связаны с необходимостью исключить попадание ядерного горючего в окружающую среду и надежным захоронением ядерных отходов , что при современном уровне развития техники и технологий связано с большими трудностями.

Не менее вредным является и тепловое загрязнение окружающей среды, способное привести к глобальному потеплению климата Земли, таянью ледников и повышению уровня мирового океана. В свете изложенного выше все более актуальным становится широкое практическое использование так называемых нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, которые ко всему прочему являются еще и экологически чистыми, не загрязняющими окружающую среду. К таким источникам относятся солнечная энергия, энергия ветра, энергия морских волн и приливов, энергия биомассы, геотермальная энергия и др. Природа каждого из этих источников энергии неодинакова, различны и способы их применения и использования. Вместе с тем им свойственны и общие черты, и в частности малая плотность потока генерируемой энергии, обуславливающая необходимость ее аккумулирования и резервирования.

4. Энергетическая безопасность и энергосбережение

Согласно прогнозам ученых, в обозримом будущем основным источником энергии останутся углеводородные топлива и ядерное горючее. Но человечество уже приближается к такому пределу повышения суммарной мощности традиционных энергоустановок, преодоление которого неизбежно повлечет экологическую катастрофу . Поэтому современная «нетрадиционная» энергетика – это тот резерв, который дает надежду и возможность преодолеть многие казалось бы неразрешимые проблемы и обеспечить возрастающие потребности человека в будущем. По мере совершенствования технологий и масштабов практического использования часть «нетрадиционных» энергоустановок перейдет в разряд традиционной «большой» энергетики, другая часть найдет свою нишу в «малой» энергетике для энергообеспечения локальных объектов. Так или иначе – за нетрадиционными источниками энергии большое будущее, и мы должны всемерно способствовать тому, чтобы это будущее скорее становилось настоящим. От этого зависят вопросы жизни и смерти на нашей планете.Именно этим определяется настоятельная необходимость рационального расхода энергии, снижения её удельных затрат во всех сферах человеческой деятельности. Это направление получило название - энергосбережение.

Один из результатов энергосбережения - прямое снижение в несколько раз затрат на ускорение темпов постоянных поисков источников энергии, их освоения. Стремление решить эти и другие проблемы наблюдается практически с самого начала большой энергетики. Оно реализуется как в поисках других первичных энергетических источников (электрохимические и термоядерные преобразователи), так и в разработке новых способов преобразования энергии первичных источников в электрическую, например, в термоэлектрических или термоэмиссионных устройствах, в МГД-генераторах.

Энергосбережение - организационная, научная, практическая, информационная деятельность государственных органов, юридических и физических лиц. Эта деятельность направлена на снижение расхода (потерь) топливно-энергетических ресурсов в процессе их добычи , переработки, транспортировки, хранения, производства, использования и утилизации. Энергосбережение - комплекс мер для обеспечения эффективного и рационального использования энергоресурсов.

В настоящее время самыми эффективными признаны следующие направления деятельности по энергосбережению:

1. Создание нормативной и правовой базы энергосбережения.

2. Создание необходимых экономических механизмов.

3. Создание финансовых механизмов энергосбережения.

4. Проведение политики ценообразования, которая отражает затраты на энергоресурсы, производимую продукцию, услуги и определяет уровень жизни населения.

5. Создание системы управления энергосбережением.

6. Создание информационной системы пропаганды проблем энергосбережения, обучения, переподготовки кадров, менеджеров, работающих в этой сфере.

Основа энергосбережения - рациональное использование энергоресурсов и сокращение их потерь. Во всех передовых странах широко применяется энергосберегающая политика.

Исходя из определения понятия энергосбережения как комплекса мер, направленных на эффективное использование энергии, возникает требование ограничения возможностей использования материальных ресурсов внешней среды, если речь идет о так называемых невозобновляемых первичных источниках энергии в виде органических минеральных горючих. Вполне понятно стремление многих стран в современных условиях к максимальному использованию, но на новых принципах, возобновляемых источников энергии - ветра, солнца, биомассы и т.д. Использование их позволит уже сегодня решить массу экологических проблем, что создает предпосылки к резервированию для потомков части запасов ископаемых топлив (если при этом их еще и не будут вывозить за рубеж), в том числе и для неэнергетических потребностей: производства химических продуктов, лекарств, всевозможных препаратов.

Под энергетической безопасностью понимается такое состояние государства, когда не испытывают недостатка во всех видах энергии все нуждающиеся в них потребители. В более широком аспекте –

это такое состояние топливно-энергетического комплекса, которое обеспечивает достаточное и надежное энергоснабжение страны, необходимое для устойчивого развития экономики и комфортных условий проживания населения в обычных условиях и минимизацию ущерба в ЧС.
- Это состояние общества поддерживать необходимый уровень национальной безопасности

Основными принципами энергетической безопасности являются:

Наличие энергоресурсов или запасов энергетического сырья
Резервы электрических и тепловых мощностей (не менее 15% по сравнению с пиковой нагрузкой)
Надежность энергетического оборудования
Подконтрольность энергосистемы страны государству
Если энергетика государства базируется на импорте энергоресурсов – закупки не должны осуществляться в одной стране . Доля каждого источника энергопоставок не должна превышать 50%
Энергосберегающая политика государства - правовое, организационное и финансово-экономическое регулирование деятельности в области энергосбережения. Примером осознания важности решения проблемы энергосбережения, является Закон Республики Беларусь «Об энергосбережении», принятый в 1998 году. Настоящим законом регулируются отношения, возникающие в процессе деятельности юридических и физических лиц, в сфере энергосбережения в целях повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, и устанавливаются правовые основы этих отношений. . Для осуществления энергосбережения на уровне государства постоянно разрабатываются программы по энергосбережению.
Республиканские – на 5 лет, начиная с 2001г.
Областные – на 1 год
Отраслевые научно-технические - бывают долгосрочные (на5 лет) и краткосрочные (на 1год)
Перед РБ стоит задача энергосбережения и снижения энергоемкости валового внутреннего продуктка.
Для решения этой задачи необходимо:
- создание системы подготовки специалистов в области энергосбережения, энергосберегающих технологий и энергетического менеджмента;
- обеспечить перестройку мышления общества в целом, радикально изменить его отношение к проблеме энерго- и ресурсосбережения.

Лекция 2

Энергетические ресурсы мира

Рассматриваемые вопросы:

1. Основные определения

2. Виды энергоресурсов и их классификация.

3. Структура и состояние мирового энергохозяйства

2.1. Энергетические ресурсы и их классификация

Согласно Закона Республики Беларусь «Об энергосбережении», который был принят 29 июня 1998 г. источником энергии являются энергетические ресурсы:

Энергетические ресурсы – это материальные объекты, в которых сосредоточена энергия, пригодная для практического использования человеком. Энергетическим ресурсом называют любой источник энергии, естественный или искусственно активированный. Энергетические ресурсы – носители энергии, которые используются в настоящее время или могут быть полезно использованы в перспективе .

топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) – совокупность всех природных и преобразованных видов топлива и энергии, используемых в республике.Энергетические ресурсы классифицируются согласно следующей схеме (рис.1).

Первичные природные энергоресурсы - естественно образовавшиеся в результате геологического развития Земли или проявляющиеся через космические связи (излучение Солнца), делятся на невозобновляемые (уголь, нефть, природный газ, сланцы, торф) и возобновляемые (энергия рек, солнечная радиация, энергия приливов, биотопливо).

К возобновляемым относят ресурсы, восстанавливаемые природой (земля, растения, животные и т.д.), к невозобновляемым - ресурсы, ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (нефть, уголь и другие запасы недр).

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) – энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом энергетическом процессе. К данному виду ресурсов относятся: бытовые и промышленные отходы, горячие отработанные теплоносители, отработанные горючие органические вещества, отходы сельскохозяйственного производства.

Р и с.1. Структура энергетических ресурсов.

Одна из классификаций природных ресурсов – классификация по признаку исчерпаемости, в соответствии с которой энергетические ресурсы разделяют на исчерпаемые и неисчерпаемые (рис. 3) . В свою очередь, исчерпаемые можно разделить на возобновляемые и невозобновляемые .

К неисчерпаемым относятся космические, климатические, водные ресурсы.

Рис.2. Исчерпаемые и неисчерпаемые энергоресурсы.

Все неисчерпаемые источники энергии считаются возобновимыми.

По сути, во вселенной не существует неисчерпаемых энергоресурсов. Рано или поздно они иссякнут. Так, например, через 4.5 миллиарда лет наша звезда Солнце перейдет в очередную свою стадию эволюции и превратится в белый карлик. Такой переход именуется вспышка сверхновой звезды. При этом в космическое пространство будет излучен огромный поток энергии, который достигнет нашей планеты, уничтожит (сожжет) атмосферу Земли, испарятся океаны и Земля превратится в безжизненное космическое тело.

Однако в сравнении с человеческой жизнью и временем существования человеческой цивилизации такие источники считаются неисчерпаемыми. Таким образом, возобновляемыми источниками энергии называются источники, потоки энергии которых постоянно существуют или периодически возникают в окружающей среде и не являются следствием целенаправленной деятельности человека.

К возобновляемым энергоресурсам относят энергию:

Мирового океана в виде энергии приливов и отливов, энергии волн;

- ветра;

Морских течений;

Соленую;

Морских водорослей;

Вырабатываемую из биомассы;

Водостоков;

Твердых бытовых отходов;

Геотермальных источников.

Недостатком возобновляемых источников энергии является низкая степень ее концентрации. Но это в значительной степени компенсируется широким распространением, относительно высокой экологической чистотой и их практической неисчерпаемостью. Такие источники наиболее рационально использовать непосредственно вблизи потребителя без передачи энергии на расстояние. Энергетика, работающая на этих источниках, использует потоки энергии, уже существующие в окружающем пространстве, перераспределяет, но не нарушает их общий баланс.

Около 90% используемых в настоящее время энергоресурсов составляет невозобноляемые (уголь, нефть, газ, и т.д.). Это обусловлено их высоким энергетическим потенциалом, относительной доступностью их извлечения. Темпы добычи и потребления этих ресурсов обуславливают энергетическую политику. Наиболее часто используемые в настоящее время энергоресурсы называют традиционными, новые виды энергоресурсов, использование которых начато сравнительно недавно – альтернативными (энергетические ресурсы рек, водохранилищ и промышленных водостоков, энергию ветра, солнца, редуцируемого природного газа, биомассы (включая древесные отходы), сточных вод и твердых бытовых отходов).

В современном природопользовании энергетические ресурсы классифицируют на три группы

– участвующие в постоянном обороте и потоке энергии (солнечная, космическая энергия и т.д.),

- депонированные энергетические ресурсы (нефть, газ, торф, сланцы и т.д.) и

- искусственно активированные источники энергии (атомная и термоядерная энергии).

С экономической точки зрения различают валовые, технические и экономические энергетическиересурсы.

Валовой ресурс представляет суммарную энергию, заключенную в данном видеэнергоресурса.

Технический ресурс – это энергия, которая может быть получена из данного вида энергоресурса при существующем развитии науки и техники. Он составляет от доли процента до десятка процентов от валового, но постоянно увеличивается по мере усовершенствования энергетического оборудования и освоения новых технологий.

Экономический ресурс – энергия, получение которой из данного вида ресурса экономически выгодно при существующем соотношении цен на оборудование, материалы и рабочую силу. Он составляет некоторую долю от технического и тоже увеличивается по мере развития энергетики.

Энергетические ресурсы принято характеризовать числом лет, в течение которых данного ресурса хватит для производства энергии на современном качественном уровне. Из доклада комиссии Мирового энергетического совета (1994 г.) при современном уровне потребления запасов угля хватит на 250 лет, газа – на 60 лет, нефти – на 40 лет. При этом по данным Международного института прикладного системного анализа, мировой спрос на энергоносители вырастет с 9,2 млрд. т в пересчете на нефть (конец 1990-х гг.) до 14,2–24,8 млрд. т в 2050 году.

Показатель энергоэффективности – научнообоснованная абсолютная или удельная величина потребления топливно-энергетических ресурсов (с учетом их нормативных потерь) любого назначения, установленная нормативнымидокументами.

Эффективность использования энергоресурсов определяется степенью преобразования их энергетического потенциала в конечную используемую продукцию или конечные потребляемые виды энергии и характеризуется коэффициентом использования энергоресурсов :

где η д – коэффициент извлечения потенциального запаса энергоресурса (отношение добытого ко всему количеству ресурса),

η П – коэффициент преобразования (отношение полученной полезной энергии ко всем подведенным энергоресурсам),η и – коэффициент использования энергии (отношение использованной энергии к подведенной к потребителю энергии).

Для некоторых видов ископаемых энергоресурсов η д составляет:

для нефти  30,…40%, для газа  80%, для угля  40%. При сжигании топливаη п равняется 9498 %.

С понятием энергоэффективность сопряжены понятия эффективное и рациональное использование энергоресурсов.

Энергетический баланс – это система показателей, отражающих количественное соответствие между приходом и расходом энергоресурсов, распределение по типу и потребителям (см. рис. 3).

Рис. 3. Структура энергетического баланса.

Рациональное использование ресурсов – это система деятельности, призванная обеспечить экономическое использование ресурсов и их воспроизводство с учетом перспективных интересов развивающегося народного хозяйства и сохранения здоровья людей.

Эффективное использование ресурсов - использование всех видов энергии экономически оправданными, прогрессивными способами при существующем уровне развития техники и технологий (подразумевает вторичное использование ресурсов, сокращение потребления, энергосбережение, непревышениеэколгического порога устойчивости экосистем).

Пользователи топливно-энергетических ресурсов – субъекты хозяйствования независимо от форм собственности, зарегистрированные на территории Республики Беларусь в качестве юридических лиц или предпринимателей без образования юридического лица, а также другие лица, которые в соответствии с законодательством Республики Беларусь имеют право заключать хозяйственные договоры, и граждане, использующие топливно-энергетическиересурсы.

Производители топливно-энергетических ресурсов – субъекты хозяйствования независимо от форм собственности, зарегистрированные на территории Республики Беларусь в качестве юридических лиц, для которых любой из видов топливно-энергетических ресурсов, используемых в республике,являетсятоварнойпродукцией.

Под энергетикой или энергетической системой , следует понимать совокупность больших естественных (природных) и искусственных (созданных человеком) систем, предназначенных для получения, преобразования, распределения и использования в народном хозяйстве энергетических ресурсов всех видов.

Энергетика рассматривается как большая система, включающая в себя на правах подсистем части других больших систем.
Вторая трактовка энергосистемы , принятая среди энергетиков, следующая: энергетическая система – это совокупность взаимосвязанных электрических станций, подстанций, линий электропередачи, электрических и тепловых сетей, центров потребления электрической энергии и теплоты.
В составе энергетической системы, обеспечивающей потребности всей экономики в электрической и тепловой энергии, функционируют следующие большие системы :

электроэнергетическая система (электроэнергетика), в состав которой в качестве подсистемы входит теплоснабжающая система (теплоэнергетика);

система нефте- и газоснабжения;

система угольной промышленности;

ядерная энергетика;

нетрадиционная энергетика.

Производство электроэнергии обеспечивают электрические станции;преобразование – трансформаторы, транспорт;

распределение электрической энергии – линии электропередачи;потребление – различные приемники.

2.2 Виды топлива, характеристика и запасы

По определению Д. И. Менделеева, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты». Минеральное топливо - основной источник энергии в современном хозяйстве и важнейшее промышленное сырье. Переработка минерального топлива является базой формирования промышленных предприятий, в т. ч. нефтехимических, газохи-мических, торфобрикетных и т. п.

Топливо подразделяют на следующие четыре группы:

Твердое;

Газообразное;

Ядерное.

Самым первейшим видом твердого топлива были (а во многих местах остаются и в настоящее время) древесина и другие растения: солома, камыш, стебли кукурузы и т. п.

Первая промышленная революция, которая в XIX веке полностью преобразовала аграрные страны Европы, а затем и Америку, произошла в результате перехода от древесного топлива к ископаемому угольному. Потом пришла эра электричества.

Открытие электричества оказало огромное влияние на жизнь человечества и обусловило зарождение и рост крупнейших городов мира.

Применение нефти (жидкий вид топлива) и природного газа в сочетании с развитием электроэнергетики, а затем и освоение энергии атома позволили промышленно развитым странам осуществить грандиозные преобразования, итогом которых стало формирование современного облика Земли.

Таким образом, к твердому виду топлива относят:

Древесину, другие продукты растительного происхождения;

Уголь (с его разновидностями: каменный, бурый);

Торф;

- горючие сланцы.

Ископаемые твердые топлива (за исключением сланцев) являются продуктом разложения органической массы растений. Самый молодой из них торф , представляющий собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений. Следующими по «возрасту» являются бурые угли - землистая или черная однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется (выветривается) и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли , обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них - антрацитов претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твердостью.

Горючие сланцы представляют собой полезное ископаемое из группы твердыхкаустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы, близкой по составу к нефти.

Жидкие виды топлива получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300 ... 370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре:

Сжиженный газ (выход около 1 %);

Бензиновую (около 15%, tк =30... 180°С);

Керосиновую (около 17 %, tк = 120 ... 135 °С);

Дизельную (около 18 %, tк = 180 ... 350 °С).

Жидкий остаток с температурой начала кипения 330 - 350 °С называется мазутом.

Газообразными видами топлива являются природный газ, добываемый как непосредственно, так и попутно с добычей нефти, называемый попутным. Основным компонентом природного газа является метан СН4 и в небольшом количестве азот N2, высшие углеводороды СnНm, двуокись углерода СО2. Попутный газ содержит меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов, и поэтому выделяет при сгорании больше теплоты.

В промышленности и, особенно в быту, находит широкое распространение сжиженный газ , получаемый при первичной переработке нефти. На металлургических заводах в качестве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы . Они используются здесь же на заводах для отопления печей и технологических аппаратов. В районах расположения угольных шахт своеобразным «топливом» может служить метан , выделяющийся из пластов при их вентиляции . Газы, получаемые путем газификации (генераторные) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив, в большинстве стран практически вытеснены природным газом, однако в настоящее время снова возрождается интерес к их производству и использованию.

В последнее время все большее применение находит биогаз - продукт анаэробной ферментации (сбраживание) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т. д.).

Ядерным топливом является уран. Об эффективности использования его показывает работа первого в мире атомного ледокола «Ленин» водоизмещением 19 тыс. т, длиной 134 м, шириной 23,6 м, высотой 16,1 м, осадкой 10,5 м, со скоростью 18 узлов (около 30 км/ч). Он был создан для проводки караванов судов по Северному морскому пути, толщина льда по которому достигала 2 и более метров. В сутки он потреблял 260-310 граммов урана. Дизельному ледоколу для выполнения такого же объема работы, которую выполнял ледокол «Ленин», потребовалось бы 560 т дизтоплива.

Анализ оценки обеспеченности ТЭР показывает, что наиболее дефи-цитным видом топлива является нефть. Ее хватит по разным источникам на 250 лет. Затем, через 35-64 года, истощатся запасы горючего газа и урана. Лучше всего обстоит дело с углем, запасы которого в мире достаточно велики, и обеспеченность углем составит 218-330 лет.

2.2 Условное топливо, калорийность, энергетический потенциал.

Экономические расчеты, сравнение показателей топливоиспользующих устройств друг с другом и планирование необходимо осуществлять на единой базе. Поэтому введено понятие так называемого условного топлива.

Условное топливо представляет собой единицу учета органического топлива, применяемую для сопоставления эффективности различных видов топлива и суммарного учета. Использование условного топлива особенно удобно для сопоставления экономичности различных теплоэнергетических установок.

В качестве единицы условного топлива применяется 1 кг топлива с теплотой сгорания 7000 ккал/кг (29,3 МДж/кг), что соответствует хорошему малозольному сухому углю. Для сравнения укажем, что бурые угли имеют теплоту сгорания менее 24 МДж/кг, а антрациты и каменные угли - 23-27 МДж/кг. Соотношение между условным топливом и натуральным выражается формулой

Вт= (Qнр / 7000) Вн = Э Вн,

где Вт - масса эквивалентного количества условного топлива, кг;

Вн - масса натурального топлива, кг (твердое и жидкое топливо) или м3 -газообразного;

Qнр - низшая теплота сгорания данного натурального топлива, ккал/кгили ккал/м3.

СоотношениеЭ = Qнр / 7000

называется калорийным коэффициентом , и его принимают для:

Нефти - 1,43;

Природного газа- 1,15;

Торфа- 0,34-0,41 (в зависимости от влажности);

Торфобрикетов - 0,45 -0,6 (в зависимости от влажности);

Дизтоплива - 1,45;

Мазута- 1,37.

Теплотворная способность различных видов топлива , ккал/кг, составляет примерно:

нефть - 10 000 (ккал/кг);

природный газ - 8 000 (ккал/ м3);

каменный уголь - 7000(ккал/кг);

дрова влажностью 10% - 3900(ккал/кг);

40% - 2400(ккал/кг);

торф влажности 10% - 4100(ккал/кг);

40% - 2500(ккал/кг);

Параметром, определяющим возможность использования источника энергии являетсяЭнергетический потенциал . Он выражается в единицах энергии Дж или кВт час. Энергетический потенциал энергоресурсов Земли, измеряемый в эксаджоулях , (эДж=10 18 Дж ), оценивается следующими величинами :

ядерная энергия деления 1,97 · 10 6
геотермальная энергия 2,94 · 10 6
энергия Солнца на уровне Земли, за 1 год 2,41 · 10 6
химическая энергия химического топлива 5,21 · 10 5
термоядерная энергия 3,60 · 10 5
энергия приливов, за 1 год 2,52 · 10 5
энергия ветра, за 1 год 6,12 · 10 3
биоэнергия лесов, за 1 год 1,46 · 10 3
энергия рек, за 1 год 1,19 · 10 2

2. 3 Энергетические ресурсы мира

Структура мирового энергохозяйства на сегодня сложилась так, что 80 % потребляемой электроэнергии получается при сжигании топлива на электростанциях, где химическая энергия топлива превращается сначала в тепло, теплота – в работу, а работа – в электричество. Ощутимый процент дает и гидроэнергетика (около 15 %), остальное покрывается другими источниками, в основном атомными электростанциями. Потребности человека растут, людей становится все больше и это вызывает гигантские объемы производства энергии и темпы роста ее потребления. Сегодня традиционные источники энергии (различные топлива, гидроресурсы) и технологии их использования уже не способны обеспечивать требуемый уровень энерговооруженности общества, потому что это невозобновляемые источники и их количество стремительно сокращается. И хотя разведанные запасы природных топлив очень велики, проблема истощения природных кладовых при нынешних и прогнозируемых темпах их разработки переходит в реальную и недалекую перспективу. Уже сегодня ряд месторождений из-за истощения оказывается непригодным для промышленной разработки, и за нефтью и газом, например, приходится идти на труднодоступные, отдаленные территории, на океанские шельфы и т.п. Серьезные прогнозисты доказывают, что при сохранении нынешних объемов и темпов роста энергопотребления в 3 … 5 % (а они без сомнения будут еще выше) запасы органических топлив полностью иссякнут через 70 – 150 лет.

Ограниченность запасовневозобновляемых ресурсов, используемых для получения электроэнергии даже с учетом экономии, отражена в табл.2.1. Развитие современных технологий требует повышение уровня использования электроэнергии. Кроме этого, необходимо учесть, что темпы роста населения позволяют прогнозировать, что лет через 40 на Земле будет жить 12 млрд. человек, поэтому столь жестко стоят проблемы энергосбережения.

Таблица 2.1. Энергетические ресурсы мира

Электроэнергетика является важнейшей отраслью экономики любой страны, поскольку ее продукция (электрическая энергия) относится к универсальному виду энергии. Ее легко можно передавать на значительные расстояния, делить на большое количество потребителей. Без электрической энергии невозможно осуществить многие технологические процессы, как невозможно представить нашу повседневную жизнь без отопления, освещения, охлаждения, транспорта, телевизора, холодильника, стиральной машины, пылесоса, утюга, использования современных средств связи (телефон, телеграф, телефакс, ЭВМ), которые также потребляют электроэнергию.

В большинстве развитых зарубежных стран электрическая составляющая всего топливно-энергетического комплекса достигает 3540%, а к началу XXI века превысила 50%. Электрическая энергия внедряется практически во все новые сферы промышленности, сельского хозяйства и быта.

В США производится около 2,5 трлн. кВт·ч электроэнергии, в СНГ – около 1,75 трлн. кВт·ч. Общая мощность электростанции в США составляет 660 млн. кВт·ч., в СНГ – около 350 млн. кВт·ч., причем 30 % из них в США находится в горячем резерве. В СНГ горячего резерва нет, а холодный составляет 68% при нормативе – 13%.Степень же электрической вооруженности в республике Беларусь составляет 22%, что значительно ниже показателей не только развитых стран, но среднемирового уровня (27%).

Хотя последние 25 лет развитые страны перестали наращивать потребление энергии на душу населения, рост потребления остается высоким за счет наращивания энергопотребления на душу населения в развивающихся странах. При нынешних темпах рост электроэнергетики будет идти еще долго, в том числе и нашей.

Т. е. выяснить, как можно сберечь энергию, необходимо четко определить, что представляет собой понятие "энергия"?

Энергия (греч. - действие, деятельность) - общая количественная мера различных форм движения материи.

Из данного определения вытекает:

Энергия - это нечто, что проявляется лишь при изменении состояния (положения) различных объектов окружающего нас мира;

Энергия - это нечто, способное переходить из одной формы в другую (рис. 1.1);

Энергия характеризуется способностью производить полезную для человека работу;

Энергия - это нечто, что можно объективно определить, количественно измерить.

Энергия в форме А			Энергия в форме В

Рис. 1.1. Схема превращения энергии из одного вида в другой

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.

Механическая энергия - проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.

К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании,

Сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах - транспортных и технологических.

Тепловая энергия - энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т. д.).

Для сопоставления различных видов топлива и суммарного учета его запасов принята единица учета - условное топливо, теплота сгорания которого принята за 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг) (табл. 1.1). "

Электрическая энергия - энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэррозионная обработка).

Химическая энергия - это энергия, "запасенная" в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Магнитная энергия - энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но "отдающих" ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как "оборотную" сторону другой.

Электромагнитная энергия - это энергия электромагнитных волн, т. е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия - это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия - энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

Бытует и старое название данного вида энергии - атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.

Гравитационная энергия - энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, "запасенная" телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли - энергия силы тяжести.

Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира - гравитационную, энергию взаимодействия тел - механическую, энергию молекулярных взаимодействий - тепловую, энергию атомных взаимодействий - химическую, энергию излучения - электромагнитную, энергию, заключенную в ядрах атомов - ядерную.

Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

По большому счету понятие энергии, идея о ней искусственны и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире. В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия - это плод мысли человека, его "изобретение", построенное так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и в то же время говорить о постоянстве, сохранении чего-то, что было названо энергией, даже если наше представление об энергии будет меняться из года в год.

Единицей измерения энергии является 1 Дж (Джоуль). В то же время для измерения количества теплоты используют "старую" единицу - 1 кал (калория) = 4,18 Дж, для измерения механической энергии используют величину 1 кгм = 9,8 Дж, электрической энергии - 1 кВт-ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = = 1 Вт-С.

Необходимо отметить, что в естественнонаучной литературе тепловую, химическую и ядерную энергии иногда объединяют понятием внутренней энергии, т. е. заключенной внутри вещества.

В связи с развитием производственных технологий и значительным ухудшением экологической ситуации во многих регионах земного шара, человечество столкнулось с проблемой поиска новых источников энергии. С одной стороны, количество добываемой энергии должно быть достаточным для развития производства, науки и коммунально-бытовой сферы, с другой стороны, добыча энергии не должна отрицательно сказываться на окружающей среде.

Данная постановка вопроса привела к поиску так называемых альтернативных источников энергии — источников, соответствующих вышеуказанным требованиям. Усилиями мировой науки было обнаружено множество таких источников, на данный момент большинство из них уже используется более или менее широко. Предлагаем вашему вниманию их краткий обзор:

Солнечная энергия

Солнечные электростанции активно используются более чем в 80 странах, они преобразуют солнечную энергию в электрическую. Существуют разные способы такого преобразования и, соответственно, различные типы солнечных электростанций. Наиболее распространены станции, использующие фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), объединенные в солнечные батареи. Большинство крупнейших фотоэлектрических установок мира находятся в США.

Энергия ветра

Ветроэнергетические установки (ветряные электростанции) широко используются в США, Китае, Индии, а также в некоторых западноевропейских странах (например в Дании, где 25% всей электроэнергии добывают именно таким способом). Ветроэнергетика является весьма перспективным источником альтернативной энергии, в настоящее время многие страны значительно расширяют использование электростанций данного типа.

Биотопливо

Главными преимуществами данного источника энергии перед другими видами топлива являются его экологичность и возобновляемость. К альтернативным источникам энергии относятся не все виды биотоплива: традиционные дрова тоже являются биотопливом, но не являются альтернативным источником энергии. Альтернативное биотопливо бывает твердым (торф, отходы деревообработки и сельского хозяйства), жидким (биодизель и биомазут, а также метанол, этанол, бутанол) и газообразное (водород, метан, биогаз).

Энергия приливов и волн

В отличие от традиционной гидроэнергетики, использующей энергию водного потока, альтернативная гидроэнергетика пока не получила широкого распространения. К главным минусам приливных электростанций относятся высокая стоимость их строительства и суточные изменения мощности, их за которых электростанции этого типа целесообразно использовать только в составе энергосистем, использующих также и другие источники энергии. Основные плюсы — высокая экологичность и низкая себестоимость получения энергии.

Тепловая энергия Земли

Для разработки этого источника энергии используются геотермальные электростанции, использующие энергию высокотемпературных грунтовых вод, а также вулканов. На данный момент более распространенной является гидротермальная энергетика, использующая энергию горячих подземных источников. Петротермальная энергетика, основанная на использовании «сухого» тепла земных недр, на данный момент развита слабо; основной проблемой считается низкая рентабельность данного способа получения энергии.

Атмосферное электричество

(Вспышки молний на поверхности Земли происходят практически одновременно в самых разных местах планеты )

Грозовая энергетика, основывающаяся на захвате и накоплении энергии молний, пока находится в стадии становления. Главными проблемами грозовой энергетики являются подвижность грозовых фронтов, а также быстрота атмосферных электрических разрядов (молний), затрудняющая накопление их энергии.

Прежде чем говорить об основных мероприятиях, обеспечивающих энергосбережение, т.е. выяснить, как можно сберечь энергию, необходимо четко определить, что представляет собой понятие "энергия"?

Энергия (греч. - действие, деятельность) - общая количественная мера различных форм движения материи.

Из данного определения вытекает:

Энергия - это нечто, способное переходить из одной формы в другую;

Энергия характеризуется способностью производить полезную для человека работу;

Энергия - это нечто, что можно объективно определить, количественно измерить.

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.

Механическая энергия - проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.

К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах - транспортных и технологических.

Тепловая энергия - энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Для сопоставления различных видов топлива и суммарного учета его запасов, оценки эффективности использования энергетических ресурсов, сравнения показателей теплоиспользующих устройств принята единица измерения - условное топливо , теплота сгорания которого принята за 29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг). Для сравнительного анализа обычно используется единица измерения тонна условного топлива.

1т у.т.= 29,33·10 9 Дж = 7·10 6 ккал = 8,12·10 3 кВт·ч

Этот показатель соответствует хорошему малозольному углю, который иногда называется угольным эквивалентом. За рубежом для анализа используется условное топливо с теплотой сгорания 41,9 Мдж/кг. Этот показатель называется нефтяным эквавалентом.

Электрическая энергия - энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электромагнитная энергия - это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Единицей измерения энергии является 1 Дж (Джоуль). В то же время для измерения количества теплоты используют "старую" единицу - 1 кал (калория) = 4,18 Дж, для измерения механической энергии используют величину 1 кг·м = 9,8 Дж, электрической энергии - 1 кВт·ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт·С.

Необходимо отметить, что в естественнонаучной литературе тепловую, химическую и ядерную энергии иногда объединяют понятием внутренней энергии, т.е. заключенной внутри вещества.