Енергія і її види. Традиційні способи отримання теплової та електричної енергії. енергія

24.08.2019

Види, способи отримання, перетворення і використання енергії. Енергія і її види. Призначення і використання

Енергія і її види. Призначення і використання

Енергія відіграє вирішальну роль у розвитку людської цивілізації. Споживання енергії і накопичення Інформації мають приблизно однаковий характер зміни в часі. Існує тісний зв'язок між витратою енергії і обсягом продукції, що випускається.

Згідно з уявленнями фізичної науки енергія це здатність тіла або системи тіл виконувати роботу. Існують різні класифікації видів і форм енергії. Назвемо ті її види, з якими люди найчастіше зустрічаються в своєму повсякденному житті: механічна, електрична, електромагнітна і внутрішня. До внутрішньої енергії, відносяться теплова, хімічна і внутрішньоядерна (атомна). Внутрішня форма енергії обумовлена потенційною енергією взаємодії часток, що складають тіло, або кінетичної енергією їх безладного руху.

Якщо енергія результат зміни стану руху матеріальних точок або тіл, то вона називається кінетичної; до неї відносять механічну енергію руху тіл, теплову енергію, обумовлену рухом молекул.

Якщо енергія результат зміни взаємного розташування елементів цієї системи або її положення по відношенню до інших тіл, то вона називається потенційної; до неї відносять енергію мас, що притягуються за законом всесвітнього тяжіння, енергію положення однорідних частинок, наприклад, енергію пружного деформованого тіла, хімічну енергію.

Основне джерело енергії це сонце. Під дією його променів хлорофіл рослин розкладає вуглекислоту, що поглинається з повітря, на кисень і вуглець; останній накопичується в рослинах. Вугілля, підземний газ, торф, сланці і дрова є запаси променевої, енергії сонця, витягнуті хлорофілом у вигляді хімічної енергії вугілля та вуглеводнів. Енергія води також виходить за рахунок сонячної енергії, що випаровує воду і піднімає пар у високі шари атмосфери. Вітер, який використовується в вітряних двигунах, виникає в результаті різного нагрівання сонцем землі в різних місцях. Величезні запаси енергії укладені в ядрах атомів хімічних елементів.

У Міжнародній системі одиниць СІ в якості одиниці вимірювання енергії прийнятий джоуль. Якщо розрахунки пов'язані з теплотою, біологічної, електричної та багатьма іншими видами енергії то в якості одиниці енергії застосовується калорія (кал) або кілокалорія (ккал).

1 кал = 4,18 Дж.

Для вимірювання електричної енергії користуються такою одиницею, як Ваттч (Втч, кВтг, МВт).

1 Вт. ч = 3,6 МДж або 1 Дж = 1 Вт. с.

Для вимірювання механічної енергії користуються такою одиницею, як кг. м.

1 кг. м = 9,8 Дж.

Енергія, яка міститься в природних джерелах (енергоресурсах) і може бути перетворена в електричну, механічну, хімічну, називається первинною.

До традиційних видів первинної енергії, або енергоресурсів, відносяться: органічне паливо (вугілля, нафта, газ та ін.), Гідроенергія річок і ядерне паливо (уран, торій та ін.).

Енергія, що отримується людиною після перетворення первинної енергії на спеціальних установках станціях, називається вторинною (електрична енергія, енергія пара, гарячої води і т. Д.).

В даний час широко ведуться роботи по застосуванню нетрадиційних, відновлювальних джерел енергії: сонячної, вітру, припливів, морських хвиль, теплоти землі. Ці джерела, крім того, що вони поновлювані, відносяться до «чистим» видів енергії, т. К. Їх використання не призводить до забруднення навколишнього середовища.

На рис. 10.1.1 наведено класифікацію первинної енергії. Виділено традиційні види енергії, в усі часи широко використовувалися людиною, і нетрадиційні, порівняно мало що використовувалися до останнього часу в силу відсутності економічних способів їх промислового перетворення, але особливо актуальні сьогодні через їх високу екологічності.

Мал. 10.1.1. Схема класифікації первинної енергії

На класифікаційної схемою невідновлювані та відновлювані види енергії позначені, відповідно, білими і сірими прямокутниками.

Споживання енергії необхідного виду та постачання нею споживачів відбувається в процесі енергетичного виробництва, в якому можна виділити п'ять стадій: 1. Отримання і Концентрація енергетичних ресурсів: видобуток і збагачення палива, концентрація напору води за допомогою гідротехнічних споруд і т. Д.

2. Передача енергетичних ресурсів до установок, що перетворює енергію; вона здійснюється перевезеннями по суші і воді або перекачуванням по трубопроводах води, нафти, газу і т. д.

3. Перетворення первинної енергії у вторинну, що має найбільш зручну для розподілу і споживання в даних умовах форму (зазвичай в електричну і теплову енергію).

4. Передача і розподіл перетвореної енергії.

5. Споживання енергії, що здійснюється як в тій формі, в якій вона доставлена споживачеві, так і в реформованій.

Якщо загальну енергію застосовуються первинних енергоресурсів прийняти за 100%, то корисно використовувана енергія складе тільки 35-40%, інша частина втрачається, причому більша частина у вигляді теплоти.

Перевага електричної енергії

З далеких історичних часів розвиток цивілізації і технічний прогрес безпосередньо пов'язані з кількістю і якістю використовуваних енергоресурсів. Трохи більше половини всієї споживаної Енергії використовується у вигляді тепла для технічних потреб, опалення, приготування їжі, решта у вигляді механічної, перш за все в транспортних установках, і електричної енергії. Причому частка електричної енергії з кожним роком зростає (рис. 10.2.1).

Мал. 10.2.1. Динаміка споживання електричної енергії

Електрична енергія є найбільш зручним видом енергії і по праву може вважатися основою сучасної цивілізації. Переважна більшість технічних засобів механізації та автоматизації виробничих процесів (обладнання, прилади, ЕОМ), заміна людської праці машинним в побуті мають електричну основу.

Чому ж так швидко зростає попит саме на електричну енергію, в чому її перевага?

Її широке використання обумовлено наступними факторами: можливістю вироблення електроенергії в великих кількостях поблизу родовищ і водних джерел;

можливістю транспортування на далекі відстані з відносно невеликими втратами;
можливістю трансформації електроенергії в інші види енергії: механічну, хімічну, теплову, світлову;
відсутністю забруднення навколишнього середовища;
можливістю застосування на основі електроенергії принципово нових прогресивних технологічних процесів з високим ступенем автоматизації.

Розглянуті питання:

1. Визначення енергії.

2. Види енергії

3. Призначення і використання енергії.

У навколишньому світі матерія існує у формі речовини, поля і фізичного вакууму. У формі речовини та поля матерія має масу, імпульсом, енергією. Необхідною умовою будь-якої дії, взаємодії і взагалі існування є споживання енергії, обмін енергією. У людському суспільстві рівень культури як матеріальної, так і духовної знаходиться в тісному зв'язку з кількістю споживаної енергії. Рівнем енергоозброєності визначається економіка будь-якої країни. Так що ж таке енергія?

1. Енергія і її види

енергія- загальна основа природних явищ, базис культури і всієї діяльності людини. У той же час під енергією розуміється кількісна оцінка різних форм руху матерії, які можуть перетворюватися одна в іншу.

Згідно з уявленнями фізичної науки, енергія - це здатність тіла або системи тіл виконувати роботу.

У природі існує близько 20 науково обґрунтованих видів енергії. Існують також різні класифікації видів і форм енергії. Людина в своєму повсякденному житті найчастіше зустрічається з такими видами енергії: механічна, електрична, електромагнітна, теплова, хімічна, атомна (внутрішньоядерна), гравітаційна та інші види.На практиці безпосередньо застосовуються всього 4 види енергії: теплова ( 70-75%), механічна (20-22%), електрична(3-5%), електромагнітна- світлова (15%).

Понад дві третини всієї споживаної енергії використовується у вигляді теплоти для технічних потреб, опалення, приготування їжі, оставщиеся частина - у вигляді механічної, перш за все в транспортних установках, і електричної енергії. Причому частка використання електричної енергії постійно зростає.

якщо енергія- результат зміни стану руху матеріальних точок або тіл, то вона називається кінетичної;до неї відносять механічну енергію руху тіл, теплову енергію, обумовлену рухом молекул.

Якщо енергія - результат зміни взаємного розташування елементів цієї системи або її положення по відношенню до інших тіл, то вона називається потенційної;до неї відносять енергію мас, що притягуються за законом всесвітнього тяжіння, енергію положення однорідних частинок, наприклад, енергію пружного деформованого тіла, хімічну енергію.

Енергію в природознавстві в залежності від природи ділять на наступні види.

механічна енергія- проявляється при взаємодії, рух окремих тіл або частинок. До неї відносять енергію руху або обертання тіла, енергію деформації при згинанні, розтягуванні, закручуванні, стисненні пружних тіл (пружин). Ця енергія найбільш широко використовується в різних машинах - транспортних і технологічних.

Теплова енергія- енергія невпорядкованого (хаотичного) руху і взаємодії молекул речовин. Теплова енергія, що отримується найчастіше при спалюванні різних видів палива, широко застосовується для опалення, проведення численних технологічних процесів (нагрівання, плавлення, сушіння, випарювання, перегонки і т.д.).

Електрична енергія- енергія рухомих по електричному ланцюзі електронів (електричного струму). Електрична енергія застосовується для отримання механічної енергії за допомогою електродвигунів і здійснення механічних процесів обробки матеріалів: дроблення, подрібнення, перемішування; для проведення електрохімічних реакцій; отримання теплової енергії в електронагрівальних пристроях і печах; для безпосередньої обробки матеріалів (електроерозійна обробка).

Цей вид енергії є найбільш досконалим, завдяки наступним факторам:

Можливості отримання її у великих кількостях поблизу родовищ горючих копалин або водних джерел;
Зручності транспортування на далекі відстані з відносно невеликими втратами;
Здібності трансформації в інші види енергії;
Відсутності забруднення навколишнього середовища;
Можливості створення принципово нових технологічних процесів з високим ступенем автоматизації і роботизації виробництва.

Хімічна енергія- це енергія, «запасені» в атомах речовин, яка вивільняється або поглинається при хімічних реакціях між речовинами. Хімічна енергія або виділяється у вигляді теплової енергії при проведенні екзотермічніреакцій (наприклад, горінні палива), або перетвориться в електричну в гальванічних елементах і акумуляторах. Ці джерела енергії характеризуються високим ККД (до 98%), але низькою ємністю.

магнітна енергія- енергія постійних магнітів, що володіють великим запасом енергії, але «віддають» її дуже неохоче. При проходженні електричного струму по ланцюгу навколо провідника створюється магнітне поле. Електрична і магнітна енергії тісно взаємопов'язані між собою, кожну з них можна розглядати як «зворотний» сторону іншої. Оскільки електрична і магнітна енергія тісно пов'язані, на практиці використовується поняття електромагнітна енергія.

електромагнітна енергія- це енергія електромагнітних хвиль, тобто рухомих електричного і магнітного полів. Вона включає видиме світло, інфрачервоні, ультрафіолетові, рентгенівські промені і радіохвилі.

Перераховані діапазони випромінювання відрізняються довжиною хвилі (і частотою):

Радіохвилі - більше 10 -2 см;
Інфрачервоне випромінювання - 2 * 10 -4 - 7, 4 * 10 -5;
Видиме світло - 7, 4 * 10 -5 -4 * 10 -5; (420-760 нм);
Ультрафіолетове випромінювання - 4 * 10 -5 -10 -6;
Рентгенівське випромінювання - 10 -5 -10 -12;
Гамма випромінювання - більше ніж 10 -12 см.

Таким чином, електромагнітна енергія - це енергія випромінювання. Випромінювання переносить енергію в формі енергії електромагнітної хвилі. Коли випромінювання поглинається, його енергія перетворюється в інші форми, найчастіше в теплоту.

ядерна енергія- енергія, локалізована в ядрах атомів радіоактивних речовин. Вона вивільняється при розподілі важких ядер (ядерна реакція) або синтезі легких ядер (термоядерна реакція).

Існує і стара назва даного виду енергії - атомна енергія, проте ця назва неточно відображає сутність явищ, що призводять до вивільнення величезних кількостей енергії, найчастіше у вигляді теплової та механічної.

гравітаційна енергія- енергія, обумовлена взаємодією (тяжінням) масивних тіл, вона особливо відчутна в космічному просторі. У земних умовах, це, наприклад, енергія, «запасені» тілом, піднятим на певну висоту над поверхнею Землі - енергія сили тяжіння.

Часто в особливі види енергії виділяють біологічну і психічнуенергії. Однак, відповідно до сучасних поглядів природознавства, психічні та біологічні процеси це особлива група фізико-хімічних процесів, але вони здійснюються на основі описаних вище видів енергії.

Таким чином, в залежності від рівня прояву, можна виділити енергію макросвіту- гравітаційну, енергію взаємодії тіл - механічну, енергію молекулярних взаємодій - теплову,

До енергії, Що утворюється на рівні мікросвіту, Відносять - енергію атомних взаємодій - хімічну; енергіювипромінювання - електромагнітну; енергію, укладену в ядрах атомів - ядерну.

Сучасна наука не виключає існування і інших видів енергії, поки не зафіксованих, але не порушують єдину природничо картину світу і поняття про енергію і закон збереження енергії.

У Міжнародній системі одиниць СІ в якості одиниці виміру енергіїприйнятий Джоуль(Дж). 1 Дж еквівалентний
1 ньютон х метр (Нм). Якщо розрахунки пов'язані з теплотою, з розрахунком енергії біологічних об'єктів і багатьма іншими видами енергії, то в якості одиниці енергії застосовується позасистемна одиниця - калорія(Кал) або кілокалорія (ккал), 1кал = 4,18 Дж. Для вимірювання електричної енергії користуються такою одиницею, як Ватт · год(Вт · год, кВт · год, МВт · год), 1 Вт · год = 3,6 МДж. Для вимірювання механічної енергії використовують величину 1 кг · м = 9,8 Дж.

Енергія, безпосередньо видобувають в природі (енергія палива, води, вітру, теплова енергія Землі, ядерна), і яка може бути перетворена в електричну, теплову, механічну, хімічну називається первинної. Відповідно до класифікації енергоресурсів за ознакою вичерпності, можна класифікувати і первинну енергію. На рис. 1 представлена схема класифікації первинної енергії.

енергія припливів

Геотермальна енергія

Енергія морських хвиль

біологічне паливо

Енергія вітру

Сонячна енергія

Нетрадиційні види енергії

Газоподібні види палива

Рідкі види палива

Тверді види палива

Атомна енергія

гідроенергія річок

органічне паливо

Традиційні види енергії

первинна енергія

Мал. 1. Класифікація первинної енергії

Енергія, що отримується людиною, після перетворення первинної енергії на спеціальних установках - станціях, називається вторинної(Електрична енергія, енергія пара, гарячої води і т.д.).

Трохи більше половини всієї споживаної енергії використовується у вигляді тепла для технічних потреб, опалення, приготування їжі, решта - у вигляді механічної, перш за все в транспортних установках, і електричної енергії.

Електрична енергія по праву може вважатися основою сучасної цивілізації. Це обумовлено її перевагами і зручністю використання. Переважна більшість технічних засобів механізації та автоматизації виробничих процесів (обладнання, прилади, ЕОМ), заміна людської праці машинним в побуті мають електричну основу.

Електрична енергія- найбільш універсальний вид енергії. Вона знайшла широке застосування в побуті і в усіх галузях народного господарства. Налічується понад чотирьохсот найменувань електропобутових приладів: холодильники, пральні машини, кондиціонери, вентилятори, телевізори, магнітофони, освітлювальні прилади і т.д. Не можна уявити промисловість без електричної енергії. У сільському господарстві застосування електрики безперервно розширюється: годування і напування тварин, догляд за ними, опалення та вентиляція, інкубатори, калорифери, сушарки тощо електрифікація- основа технічного прогресу будь-якої галузі народного господарства. Вона дозволяє замінити незручні для використання енергетичні ресурси універсальним видом енергії - електричною енергією, яку можна передавати на будь-яку відстань, перетворювати в інші види енергії, наприклад, в механічну або теплову, ділити її між споживачами.

Переваги електроенергії:

1. Електрична енергія універсальна, вона може бути використана для самих різних цілей. Зокрема, її дуже просто перетворити в тепло, світло. Це робиться, наприклад, в електричних джерелах світла (лампочках розжарювання), в технологічних печах, використовуваних в металургії, в різних нагрівальних та опалювальних пристроях. Перетворення електричної енергії в механічну використовується в приводах електричних моторів.

2. При споживанні електричної енергії її можна нескінченно дробити. Так, потужність електричних машин в залежності від їх призначення різна: від часток вата в мікродвигуна, які застосовуються в багатьох галузях техніки і в побутових виробах, до величезних величин, що перевищують мільйон кіловат, в генераторах електростанцій.

3. В процесі виробництва і передачі електричної енергії, можна концентрувати її потужність, збільшувати напругу і передавати по проводах як на малі, так і на великі відстані будь-яку кількість електричної енергії від електростанції, де вона виробляється, всім її споживачам.

Розвиток природознавства протягом життя людства незаперечно довело, що енергія ніколи не створюється з нічого і не знищується безслідно, вона тільки переходить з одного виду в інший, тобто

сума всіх видів енергії залишається постійною. У цьому полягає суть одного з найбільш фундаментальних законів Всесвіту - закон збереження енергії.

При будь-яких обговореннях питань, пов'язаних з використанням енергії, необхідно відрізняти енергію упорядкованого руху, відому в техніці під назвою вільної енергії(Механічна, хімічна, електрична, електромагнітна, ядерна) та енергію хаотичного руху, Тобто теплоту.Любая з форм вільної енергії може бути практично повністю використана. У той же час хаотична енергія тепла при перетворенні в механічну енергію втрачається у вигляді тепла. Ми не в силах повністю упорядкувати випадкове рух молекул, перетворивши його енергію в вільну. Більш того, в даний час практично немає способу безпосереднього перетворення хімічної та ядерної енергії в електричну і механічну, як найбільш використовувані. Доводиться внутрішню енергію речовин перетворювати в теплову, а потім в механічну або електричну з великими неминучими теплопотерямі.Такім чином, всі види енергії після виконання ними корисної роботи перетворюються в теплоту з більш низькою температурою, яка практично непридатна для подальшого використання.

Закон збереження енергії знайшов підтвердження в різних областях - від механіки Ньютона до ядерної фізики. Причому закон збереження енергії - це не тільки плід уяви або узагальнення експериментів. Ось чому можна повністю погодитися з твердженням одного з найбільших фізиків-теоретиків Пуанкаре: «Так як ми не в силах дати загального визначення енергії, принцип її збереження означає, що існує щось, яке залишається постійним. Тому, до яких би новим уявленням про світ не привели нас майбутні експерименти, ми заздалегідь знаємо: в них буде щось залишається постійним, що можна назвати ЕНЕРГІЄЮ ».

Навчальна дисципліна "Основи енергозбереження" покликана озброїти майбутнього фахівця знаннями загальних законів і підходів до розрахунку процесів, що виникають при отриманні, трансформації та передачі енергії.

3. Проблеми використання енергії людиною

З усіх видів енергоресурсів енергія Сонця має особливе значення. Всі види енергоресурсів є результат природних перетворень сонячної енергії. Вугілля, нафта, природний газ, торф, горючі сланці і дрова - це запаси променевої енергії Сонця, витягнуті і перетворені рослинами. В процесі реакції фотосинтезу з неорганічних елементів навколишнього середовища - води Н 2 О і вуглекислого газу СО 2 - під впливом сонячного світла в рослинах утворюється органічна речовина, основним елементом якого є вуглець З. У певну геологічну епоху протягом мільйонів років з відмерлих рослин під впливом тиску і температурного режиму, які, в свою чергу, є результатом конкретної кількості енергії Сонця, що падає на Землю, і утворилися органічні енергетичні ресурси, основу яких становить вуглець, раніше накопичений в рослинах . Енергія води також виходить за рахунок сонячної енергії, що випаровує воду і піднімає пар у високі шари атмосфери. Вітер виникає за рахунок різної температури нагрівання Сонцем різних точок нашої планети. Крім того, безпосередньо випромінювання Сонця, що припадає на поверхню Землі, має величезний потенціал енергії.

Таким чином, освіта органічного палива є результатом, з одного боку, природних перетворень сонячної енергії, а з іншого, - результатом теплового, механічного та біологічного впливу протягом багатьох століть на останки рослинного і тваринного світу, відкладалися у всіх геологічних формаціях. Все це паливо мають вуглецеву основу, і енергія вивільняється з нього, головним чином, в процесі освіти діоксиду вуглецю (СО2).

Протягом усього свого існування людство використовувало енергію, накопичену природою протягом мільярдів років. При цьому способи її використання постійно вдосконалювалися з метою отримання максимальної ефективності.

Так, на самому початку свого еволюційного розвитку людини була доступна тільки енергія м'язів його тіла . Пізніше людина навчилася отримувати і використовувати енергію вогню . Черговий виток еволюційного розвитку людського суспільства приніс можливість використовувати енергію води і вітру - з'явилися перші водяні і вітряні млини, водяні колеса, парусні судна, що використовують силу вітру для свого переміщення. У XVIII столітті було винайдено парову машину, в якій теплова енергія , Отримана в результаті спалювання вугілля або деревини, перетворювалася в енергію механічного руху. У XIX столітті була відкрита вольта дуга, електричне освітлення, винайдений електродвигун, а потім і електрогенератор, - що і стало початком століття електрики . XX століття явив собою справжню революцію в освоєнні людством способів отримання і використання енергії: будуються теплові, гідравлічні, атомні електростанції величезної потужності, споруджуються лінії передачі електричної енергії високої, над- і ультрависокої напруги, розробляються нові способи виробництва, перетворення і передачі електроенергії ( керована термоядерна реакція, магнітогідродинамічний генератор, надпровідникові турбогенератори і т.д.), створюються потужні енергосистеми. В цей же час з'являються потужні системи нафто- і газопостачання.
Таким чином, оточуючий нас світ має воістину невичерпним джерелом різних видів енергії. Деякі з них ще в повній мірі не використовуються і в нинішній час - енергія Сонця, енергія взаємодії Землі і Місяця, енергія термоядерного синтезу, енергія тепла Землі .

Зараз енергія відіграє вирішальну роль у розвитку людської цивілізації. Існує тісний взаємозв'язок між податковими витратами енергії і обсягом продукції, що випускається. Енергетика має велике значення в житті людства. Рівень її розвитку відображає рівень розвитку продуктивних сил суспільства, можливості науково-технічного прогресу і рівень життя населення. На жаль, більшість енергії, споживаної людиною, перетворюється в марне тепло через низьку ефективність використання наявних енергетичних ресурсів.

Орієнтовний розподіл споживаної енергії за рік в світі приведено в табл. 1.1. Величина енергії дається в кількості вугілля в мегатоннах(Мт), який при згорянні дав би ту ж енергію.
На харчування людей щорічно йде близько 400 Мт, з яких близько 40 Мт перетворюється в корисну працю. На побутові потреби витрачається близько 800 Мт, на суспільне виробництво - 1000 Мт.

Табліца1.1
Річне споживання енергії в світі

форма енергії	Кількість, Мт	джерело
Харчування людей і корм робочої худоби	650	сонячне світло (в теперішньому)
Дрова	150	сонячне світло (в минулому)
гідроелектростанції	100	рух води
Вугілля, нафта, газ, торф	6 600	сонячне світло (в минулому)

Таким чином, з річного споживання, що становить 7500 Мт, корисно використовується 2200 Мт, решта витрачається у вигляді теплоти. Але навіть ефективністю 2200/7500 Мт людство не може похвалитися, тому що не враховано падаюче на Землю сонячне випромінювання, що становить 10000000 Мт на рік.

Мал. 2 Розподіл енергії сонячного світла.

Нерівномірність використання енергії населенням представлена на рис.3.

Мал. 3.Неравномерность використання енергії населенням.

Енергія зіграла вирішальну роль у розвитку цивілізації. Споживання енергії і накопичення інформації має приблизно однаковий характер зміни в часі, тісний зв'язок між витратою енергії і обсягом продукції, що випускається. Встановлено, що для задоволення фізіологічних потреб людини сучасного потрібно приблизно стільки ж енергії, скільки і людині первісного. У той же час зростання споживання енергії разюче високий. Але саме завдяки йому людина значну частину свого життя може присвятити дозвіллю, освіти, творчої діяльності, домігся теперішній високої тривалості життя.
Ми вважаємо енергію чимось потрібною, здатною працювати на нас.

Постачання суспільства енергією необхідно для: обігрівання приміщень, забезпечення пересування, випуску необхідних нам товарів, підтримки працездатності різних машин, механізмів, приладів, приготування їжі, освітлення, підтримання життєдіяльності і т.д.

Ці приклади застосування енергії можна розділити на три великі групи:
а)енергія харчування . Вона дорожче інших видів енергії: пшениця в перерахунку на Джоули набагато дорожче, ніж вугілля. Харчування дає тепло для підтримки температури тіла, енергію для його руху, для здійснення розумової та фізичної праці;
б) енергія у вигляді тепла для обігріву будинків і приготування їжі. Вона дає можливість жити в різних кліматичних умовах і урізноманітнити харчовий раціон людини;
в) енергія для забезпечення функціонування громадського виробництва. Це енергія для виробництва товарів і послуг, фізичного переміщення людей і вантажів в просторі, для підтримки працездатності всіх систем комунікацій. Витрати цієї енергії на душу населення значно вище, ніж витрати енергії на харчування.

На жаль, динаміка розвитку цивілізації така, що з кожним роком людству потрібно все більше енергії для свого існування і розвитку. Незважаючи на наявність великої кількості енергоресурсів та використання людством різних видів енергії, швидкість споживання енергетичних ресурсів помітно перевищує можливості їх відновлення природою. Це в першу чергу стосується невідновних природних ресурсів. Потреби людини ростуть, людей стає все більше і це викликає гігантські обсяги виробництва енергії і темпи зростання її споживання. Сьогодні традиційні джерела енергії (різні палива, гідроресурси) та технології їх використання вже не здатні забезпечувати необхідний рівень енергоозброєності суспільства, тому що це поновлювані джерела. І хоча розвідані запаси природних палив дуже великі, проблема виснаження природних коморпри нинішніх і прогнозованих темпах їх розробки переходить в реальну і недалеку перспективу. Вже сьогодні ряд родовищ через виснаження виявляється непридатним для промислової розробки, і за нафтою і газом, наприклад, доводиться йти на важкодоступні, віддалені території, на океанські шельфи і т.п. Серйозні прогнозисти доводять, що при збереженні нинішніх обсягів і темпів зростання енергоспоживання в 3 ... 5% (а вони без сумніву будуть ще вище) запаси органічних палив повністю вичерпаються через 70 - 150 років.

Іншим чинником, що обмежує значне збільшення обсягів вироблення енергії за рахунок спалювання палива, є все зростаюче забруднення навколишнього средиотходамі енергетичного виробництва. Ці відходи значні по масі і містять велику кількість різних шкідливих компонентів. Так, при виробництві 106 кВт⋅_ч електроенергії на сучасній електростанції, що працює на твердому паливі, в навколишнє середовище скидаються 14 000 кг шлаку, 80 000 кг золи, 1 000 000 кг діоксиду вуглецю, 14000 кг діокісі сірки, 4 000 кг окислів азоту, 100 000 кг водяної пари, а також сполуки фтору, миш'яку, ванадію та інших елементів. А адже кількість вироблюваної в рік електроенергії обчислюється сотнями і тисячами мільярдів кіловат-годин! Ось звідки кислотні дощі, отруєння сільгоспугідь і водойм і тому подібні явища. Причому природа вже не в змозі природними фізико-хімічними та мікробіологічними способами переробити ці забруднення і самовідновитися.

В ядерній енергетиці виникають екологічні проблеми іншого роду. Вони пов'язані з необхідністю виключити потрапляння ядерного пального в навколишнє середовище і надійним похованням ядерних відходів, Що при сучасному рівні розвитку техніки і технологій пов'язано з великими труднощами.

Не менш шкідливим є і теплове забруднення навколишньогосередовища, здатне привести до глобального потепління клімату Землі, танення льодовиків і підвищення рівня світового океану. У світлі викладеного вище все більш актуальним стає широке практичне використання так званих нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії, які до всього іншого є ще й екологічно чистими, не забруднюють навколишнє середовище. До таких джерел належать сонячна енергія, енергія вітру, енергія морських хвиль і припливів, енергія біомаси, геотермальна енергія та ін. Природа кожного з цих джерел енергії неоднакова, різні і способи їх застосування і використання. Разом з тим їм властиві і загальні риси, і зокрема мала щільність потоку енергії, що генерується, яка обумовить необхідність її акумулювання і резервування.

4. Енергетична безпека та енергозбереження

Згідно з прогнозами вчених, у доступному для огляду майбутньому основним джерелом енергії залишаться вуглеводневі палива та ядерне пальне. Але людство вже наближається до такої межі підвищення сумарної потужності традиційних енергоустановок, подолання якого неминуче спричинить екологічну катастрофу. Тому сучасна «нетрадиційна» енергетика - це той резерв, який дає надію і можливість подолати багато здавалося б нерозв'язні проблеми і забезпечити зростаючі потреби людини в майбутньому. У міру вдосконалення технологій і масштабів практичного використання частина «нетрадиційних» енергоустановок перейде в розряд традиційної «великий» енергетики, інша частина знайде свою нішу в «малої» енергетики для енергозабезпечення локальних об'єктів. Так чи інакше - за нетрадиційними джерелами енергії велике майбутнє, і ми повинні всіляко сприяти тому, щоб це майбутнє швидше ставало справжнім. Від цього залежать питання життя і смерті на нашій планете.Іменно цим визначається нагальна потреба раціонального витрати енергії, зниження її питомих витрат у всіх сферах людської діяльності. Цей напрямок одержав назву - енергозбереження.

Один з результатів енергозбереження - пряме зниження в кілька разів витрат на прискорення темпів постійних пошуків джерел енергії, їх освоєння. Прагнення вирішити ці та інші проблеми спостерігається практично з самого початку великої енергетики. Воно реалізується як в пошуках інших первинних енергетичних джерел (електрохімічні і термоядерні перетворювачі), так і в розробці нових способів перетворення енергії первинних джерел в електричну, наприклад, в термоелектричних або термоемісійних пристроях, в МГД-генераторах.

енергозбереження- організаційна, наукова, практична, інформаційна діяльність державних органів, юридичних і фізичних осіб. Ця діяльність спрямована на зниження витрат (втрат) паливно-енергетичних ресурсів в процесі їх видобутку, переробки, транспортування, зберігання, виробництва, використання та утилізації. Енергозбереження - комплекс заходів для забезпечення ефективного і раціонального використання енергоресурсів.

В даний час найефективнішими визнані наступні напрямки діяльності з енергозбереження:

1. Створення нормативної та правової бази енергозбереження.

2. Створення необхідних економічних механізмів.

3. Створення фінансових механізмів енергозбереження.

4. Проведення політики ціноутворення, яка відображає витрати на енергоресурси, вироблену продукцію, послуги і визначає рівень життя населення.

5. Створення системи управління енергозбереженням.

6. Створення інформаційної системи пропаганди проблем енергозбереження, навчання, перепідготовки кадрів, менеджерів, які працюють в цій сфері.

Основа енергозбереження - раціональне використання енергоресурсіві скорочення їх втрат. У всіх передових країнах широко застосовується енергозберігаюча політика.

Виходячи з визначення поняття енергозбереження як комплексу заходів, спрямованих на ефективне використання енергії,виникає вимога обмеження можливостей використання матеріальних ресурсів зовнішнього середовища, якщо мова йде про так званих невідновлюваних первинних джерелах енергії у вигляді органічних мінеральних горючих. Цілком зрозуміле прагнення багатьох країн в сучасних умовах до максимального використання, але на нових принципах, поновлюваних джерел енергії - вітру, сонця, біомаси тощо Використання їх дасть змогу вже сьогодні вирішити масу екологічних проблем,що створює передумови до резервування для нащадків частини запасів викопних палив(Якщо при цьому їх ще і не будуть вивозити за кордон), в тому числі і для неенергетичних потреб: виробництва хімічних продуктів, ліків, всіляких препаратів.

Під енергетичною безпекоюрозуміється такий стан держави, коли не відчувають нестачі в усіх видах енергії всі нужденні в них споживачі. У більш широкому аспекті -

це такий стан паливно-енергетичного комплексу, яке забезпечує достатню і надійне енергопостачання країни, необхідне для сталого розвитку економіки та комфортних умов проживання населення в звичайних умовах і мінімізацію збитку в НС.
- Це стан суспільства підтримувати необхідний рівень національної безпеки

основними принципами енергетичної безпекиє:

Наявність енергоресурсів або запасівенергетичної сировини
Резерви електричних і теплових потужностей(Не менше 15% в порівнянні з піковим навантаженням)
Надійність енергетичного обладнання
підконтрольність енергосистемикраїни державі
Якщо енергетика держави базується на імпорті енергоресурсів - закупівлі не повинні здійснюватися в одній країні. Частка кожного джерела енергопостачань не повинна перевищувати 50%
Енергозберігаюча політика держави- правове, організаційне та фінансово-економічне регулювання діяльності в галузі енергозбереження. Прикладом усвідомлення важливості вирішення проблеми енергозбереження, є Закон Республіки Білорусь «Про енергозбереження», прийнятий в 1998 році. Справжнім законом регулюються відносини, що виникають в процесі діяльності юридичних і фізичних осіб, в сфері енергозбереження з метою підвищення ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів, і встановлюються правові основи цих відносин. . Для здійснення енергозбереження на рівні держави постійно розробляються програми з енергозбереження.
Республіканські - на 5 років, починаючи з 2001 р.
Обласні - на 1 рік
Галузеві науково-технічні - бувають довгострокові (на5 років) і короткострокові (на 1 рік)
Перед РБ стоїть завдання енергозбереження і зниження енергоємності валового внутрішнього продуктка.
Для вирішення цього завдання необхідно:
- створення системи підготовки фахівців в галузі енергозбереження, енергозберігаючих технологій та енергетичного менеджменту;
- забезпечити розбудову мислення суспільства в цілому, радикально змінити його ставлення до проблеми енерго- та ресурсозбереження.

лекція 2

Енергетичні ресурси світу

Розглянуті питання:

1. Основні визначення

2. Види енергоресурсів і їх класифікація.

3. Структура і стан світового енергогосподарства

2.1. Енергетичні ресурси та їх класифікація

згідно ЗаконуРеспубліка Білорусь «Про енергозбереження»,який був прийнятий 29 червня 1998 р джерелом енергії є енергетичні ресурси:

енергетичні ресурси- це матеріальні об'єкти, в яких зосереджена енергія, придатна для практичного використання людиною. Енергетичним ресурсом називають будь-яке джерело енергії, природний або штучно активоване. енергетичні ресурси- носії енергії, які використовуються в даний час або можуть бути корисно використані в перспективі.

паливно-енергетичні ресурси(ПЕР) - сукупність всіх природних і перетворених видів палива та енергії, які використовуються в республіке.Енергетіческіе ресурси класифікуються згідно з наступною схемою (рис.1).

Первинні природні енергоресурси- природно утворилися в результаті геологічного розвитку Землі або проявляються через космічні зв'язку (випромінювання Сонця), діляться на невідновлювані (Вугілля, нафта, природний газ, сланці, торф) і поновлювані (Енергія річок, сонячна радіація, енергія припливів, біопаливо).

До поновлюванихвідносять ресурси, відновлювані природою (земля, рослини, тварини і т.д.), до поновлюваних- ресурси, раніше накопичені в природі, але в нових геологічних умовах практично не утворюються (нафта, вугілля та інші запаси надр) .

Вторинні енергетичні ресурси(ВЕР)- енергія, що отримується в ході будь-якого технологічного процесу в результаті недовикористання первинної енергії у вигляді побічного продукту основного виробництва і не застосовується в цьому енергетичному процесі. До даного виду ресурсів відносяться: побутові та промислові відходи, гарячі відпрацьовані теплоносії, відпрацьовані горючі органічні речовини, відходи сільськогосподарського виробництва.

Р і с.1. Структура енергетичних ресурсів.

Одна з класифікацій природних ресурсів - класифікація за ознакою вичерпності, відповідно до якої енергетичні ресурси поділяють на вичерпнііневичерпні (рис. 3). У свою чергу, вичерпні можна розділити на поновлюванііневідновлювані.

До невичерпнимвідносяться космічні, кліматичні, водні ресурси.

Рис.2. Вичерпні і невичерпні енергоресурси.

Все невичерпні джерела енергії вважаються відновлюваних.

По суті, у всесвіті не існує невичерпних енергоресурсів. Рано чи пізно вони вичерпаються. Так, наприклад, через 4.5 мільярда років наша зірка Сонце перейде в чергову свою стадію еволюції і перетвориться в білий карлик. Такий перехід називається спалах наднової зірки. При цьому в космічний простір буде випромінюючи величезний потік енергії, який досягне нашої планети, знищить (спалить) атмосферу Землі, випаруються океани і Земля перетвориться на мертве космічне тіло.

Однак в порівнянні з людським життям і часом існування людської цивілізації такі джерела вважаються невичерпними. Таким чином, поновлюваними джерелами енергії називаються джерела, потоки енергії яких постійно існують чи періодично виникають у навколишньому середовищі і не є наслідком цілеспрямованої діяльності людини.

До поновлюваних енергоресурсів відносятьенергію:

Світового океану у вигляді енергії припливів і відливів, енергії хвиль;

- вітру;

Морських течій;

солону;

Морських водоростей;

Виробляється з біомаси;

відсотків;

Твердих побутових відходів;

Геотермальних джерел.

Недоліком поновлюваних джерел енергії єнизький ступінь її концентрації. Але це в значній мірі компенсується широким розповсюдженням, відносно високою екологічною чистотою і їх практичної невичерпністю. Такі джерела найбільш раціонально використовувати безпосередньо поблизу споживача без передачі енергії на відстань. Енергетика, яка працює на цих джерелах, використовує потоки енергії, вже існуючі в навколишньому просторі, перерозподіляє, але не порушує їх загальний баланс.

Близько 90% використовуваних в даний час енергоресурсів становить невозобноляемие(Вугілля, нафта, газ, і т.д.). Це обумовлено їх високою енергетичним потенціалом, відносною доступністю їх вилучення. Темпи видобутку і споживання цих ресурсів обумовлюють енергетичну політику. Найбільш часто використовувані в даний час енергоресурси називають традиційними,нові види енергоресурсів, використання яких розпочато порівняно недавно - альтернативними (енергетичні ресурси річок, водосховищ та промислових відсотків, енергію вітру, сонця, редуціруеми природного газу, біомаси (включаючи деревні відходи), стічних вод і твердих побутових відходів) .

У сучасному природокористуванні енергетичні ресурси класифікують на три групи

– які беруть участь в постійному обороті і потоці енергії(Сонячна, космічна енергія і т.д.),

- депоновані енергетичні ресурси(Нафта, газ, торф, сланці і т.д.) і

- штучно активовані джерела енергії(Атомна і термоядерна енергії).

З економічної точки зору розрізняють валові, технічні та економічніенергетіческіересурси.

валовий ресурспредставляє сумарну енергію, укладену в даному відеенергоресурса.

технічний ресурс – це енергія, яка може бути отримана з даного виду енергоресурсу при існуючому розвитку науки і техніки. Він становить від частки відсотка до десятка відсотків від валового, але постійно збільшується в міру вдосконалення енергетичного обладнання і освоєння нових технологій.

економічний ресурс – енергія, отримання якої з даного виду ресурсу економічно вигідно при існуючому співвідношенні цін на обладнання, матеріали та робочу силу. Він становить деяку частку від технічного і теж збільшується в міру розвитку енергетики.

Енергетичні ресурси прийнято характеризувати числом років, протягом яких даного ресурсу вистачить для виробництва енергії на сучасному якісному рівні. З доповіді комісії Всесвітньої Енергетичної Ради (1994 г.) при сучасному рівні споживання запасів вугілля вистачить на 250 років, газу - на 60 років, нафти - на 40 років. При цьому за даними Міжнародного інституту прикладного системного аналізу, світовий попит на енергоносії зросте з 9,2 млрд. Т в перерахунку на нафту (кінець 1990-х рр.) До 14,2-24,8 млрд. Т в 2050 році.

показник енергоефективності- науково обґрунтовані абсолютна або питома величина споживання паливно-енергетичних ресурсів (з урахуванням їх нормативних втрат) будь-якого призначення, встановлена норматівнимідокументамі.

ефективністьвикористання енергоресурсів визначається ступенем перетворення їх енергетичного потенціалу в кінцеву використовувану продукцію або кінцеві споживані види енергії і характеризується коефіцієнтом використання енергоресурсів:

де η д – коефіцієнт вилученняпотенційного запасу енергоресурсу (відношення добутого до всієї кількості ресурсу),

η П – коефіцієнт перетворення(Відношення отриманого корисної енергії до всіх підведеною енергоресурсів), η і – коефіцієнт використання енергії(Відношення використаної енергії до підведеної до споживача енергії).

Для деяких видів копалин енергоресурсів η дстановить:

для нафти  30, ... 40%, для газу  80%, для вугілля  40%. При спалюванні палива η пдорівнює 9498%.

З поняттям енергоефективність пов'язані поняття ефективне і раціональне використання енергоресурсів.

енергетичний баланс- це система показників, що відображають кількісну відповідність між приходом і витратою енергоресурсів, розподіл за типом і споживачам (див. Рис. 3).

Мал. 3. Структура енергетичного балансу.

Раціональне використання ресурсів -це система діяльності, покликана забезпечити економічне використання ресурсів і їх відтворенняз урахуванням перспективних інтересів розвивається народного господарства і збереження здоров'я людей.

Ефективне використання ресурсів -використання всіх видів енергії економічно виправданими, прогресивними способами при існуючому рівні розвитку техніки і технологій (має на увазі вторинне використання ресурсів, скорочення споживання, енергозбереження, непревишеніееколгіческого порога стійкості екосистем).

Користувачі паливно-енергетичних ресурсів- суб'єкти господарювання незалежно від форм власності, зареєстровані на території Республіки Білорусь в якості юридичних осіб або підприємців без утворення юридичної особи, а також інші особи, які відповідно до законодавства Республіки Білорусь мають право укладати господарські договори, і громадяни, які використовують паливно-енергетіческіересурси.

Виробники паливно-енергетичних ресурсів- суб'єкти господарювання незалежно від форм власності, зареєстровані на території Республіки Білорусь в якості юридичних осіб, для яких будь-який з видів паливно-енергетичних ресурсів, використовуваних в республіці, являетсятоварнойпродукціей.

Під енергетикою або енергетичною системою, Слід розуміти сукупність великих природних (природних) і штучних (створених людиною) систем, призначених для отримання, перетворення, розподілу і використання в народному господарстві енергетичних ресурсів всіх видів.

Енергетикарозглядається як велика система, що включає в себе на правах підсистем частини інших великих систем.
Друге трактування енергосистеми, Прийнята серед енергетиків, наступна: енергетична система- це сукупність взаємопов'язаних електричних станцій, підстанцій, ліній електропередачі, електричних і теплових мереж, центрів споживання електричної енергії та теплоти.
У складі енергетичної системи, що забезпечує потреби всієї економіки в електричній і тепловій енергії, функціонують такі великі системи:

електроенергетична система (електроенергетика), до складу якої в якості підсистеми входить теплопостачальна система (теплоенергетика);

система нафто- і газопостачання;

система вугільної промисловості;

ядерна енергетика;

нетрадиційна енергетика.

Виробництво електроенергіїзабезпечують електричні станції; перетворення- трансформатори, транспорт;

розподіл електричної енергії- лінії електропередач; споживання- різні приймачі.

2.2 Види палива, характеристика і запаси

За визначенням Д. І. Менделєєва, «паливом називається горючою речовиною, навмисне спалюється для одержання теплоти». Мінеральне паливо - основне джерело енергії в сучасному господарстві і найважливіше промислова сировина. Переробка мінерального палива є базою формування промислових підприємств, в т. Ч. Нафтохімічних, газохі-вів, торфобрикетних і т. П.

Паливо поділяють на такі чотири групи:

тверде;

газоподібне;

Ядерне.

Самим найпершим видом твердого палива були (а в багатьох місцях залишаються і в даний час) деревина та інші рослини: солома, очерет, стебла кукурудзи і т. П.

Перша промислова революція, яка в XIX столітті повністю перетворила аграрні країни Європи, а потім і Америку, сталася в результаті переходу від деревного палива до викопному вугільному. Потім прийшла ера електрики.

Відкриття електрики справила величезний вплив на життя людства і зумовило зародження і зростання найбільших міст світу.

Застосування нафти (рідкий вид палива) і природного газу в поєднанні з розвитком електроенергетики, а потім і освоєння енергії атома дозволили промислово розвиненим країнам здійснити грандіозні перетворення, підсумком яких стало формування сучасного вигляду Землі.

Таким чином, до твердому виду паливавідносять:

Деревину, інші продукти рослинного походження;

Вугілля (з його різновидами: кам'яне, буре);

торф;

- горючі сланці.

Викопні тверді палива (за винятком сланців) є продуктом розкладання органічної маси рослин. Наймолодший з них торф, Що представляє собою щільну масу, що утворилася з перегнилих залишків болотних рослин. Наступними за «віком» є буре вугілля- землистий або чорна однорідна маса, яка при тривалому зберіганні на повітрі частково окислюється (вивітрюється) і розсипається в порошок. потім йдуть кам'яне вугілля, Що володіють, як правило, підвищеною міцністю і меншою пористістю. Органічна маса найбільш старих з них - антрацитівзазнала найбільших змін і на 93% складається з вуглецю. Антрацит відрізняється високою твердістю.

горючі сланціявляють собою корисну копалину з групи твердихкаустобіолітов, що дає при сухій перегонці значна кількість смоли, близької за складом до нафти.

Рідкі види паливаотримують шляхом переробки нафти. Сиру нафту нагрівають до 300 ... 370 ° С, після чого отримані пари розганяють на фракції, що конденсуються при різній температурі:

Зріджений газ (вихід близько 1%);

Бензинову (близько 15%, tк = 30 ... 180 ° С);

Гасову (близько 17%, tк = 120 ... 135 ° С);

Дизельну (близько 18%, tк = 180 ... 350 ° С).

Рідкий залишок з температурою початку кипіння 330 - 350 ° С називається мазутом.

Газоподібними видами паливає природний газ,видобувається як безпосередньо, так і попутно з видобутком нафти, званий попутним. Основним компонентом природного газу є метан СН4 і в невеликій кількості азот N2, вищі вуглеводні СnНm, двоокис вуглецю СО2.Попутний газ містить менше метану, ніж природний, але більше вищих вуглеводнів, і тому виділяє при згорянні більше теплоти.

У промисловості і, особливо в побуті, знаходить широке поширення зріджений газ, Одержуваний при первинній переробці нафти. На металургійних заводах в якості попутних продуктів отримують коксовий і доменний гази. Вони використовуються тут же на заводах для опалення печей і технологічних апаратів. У районах розташування вугільних шахт своєрідним «паливом» може служити метан, Що виділяється з пластів при їх вентиляції. Гази, одержувані шляхом газифікації (генераторні) або шляхом сухої перегонки (нагрівання без доступу повітря) твердих палив, в більшості країн практично витіснені природним газом, однак в даний час знову відроджується інтерес до їх виробництва і використання.

Останнім часом все більше застосування знаходить біогаз- продукт анаеробної ферментації (зброджування) органічних відходів (гною, рослинних залишків, сміття, стічних вод і т. Д.).

ядерним паливомє уран.Про ефективність використання його показує робота першого в світі атомного криголама «Ленін» водотоннажністю 19 тис. Т, довжиною 134 м, шириною 23,6 м, висотою 16,1 м, осадкою 10,5 м, зі швидкістю 18 вузлів (близько 30 км / ч). Він був створений для проводки караванів судів по Північному морському шляху, товщина льоду по якому сягала 2 і більше метрів. В добу він споживав 260-310 грамів урану. Дизельного криголаму для виконання такого ж обсягу роботи, яку виконував криголам «Ленін», треба було б 560 т дизпалива.

Аналіз оцінки забезпеченості ПЕР показує, що найбільш Дефі-цітной видом палива є нафта. Її вистачить за різними джерелами на 250 років. Потім, через 35-64 року, виснажаться запаси пального газу і урану. Найкраще справи з вугіллям, запаси якого в світі досить великі, і забезпеченість вугіллям складе 218-330 років.

2.2 Умовне паливо, калорійність, енергетичний потенціал.

Економічні розрахунки, порівняння показників паливовикористовуючих пристроїв один з одним і планування необхідно здійснювати на єдиній базі. Тому введено поняття так званого умовного палива.

Умовне паливо являє собою одиницю обліку органічного палива, застосовується для зіставлення ефективності різних видів палива і сумарного обліку. Використання умовного палива особливо зручно для зіставлення економічності різних теплоенергетичних установок.

В якості одиниці умовного палива застосовується 1 кг палива з теплотою згоряння 7000 ккал / кг (29,3 МДж / кг), що відповідає хорошому малозольних сухому вугіллю. Для порівняння зазначимо, що буре вугілля мають теплоту згоряння менш 24 МДж / кг, а антрациту і кам'яне вугілля - 23-27 МДж / кг. Співвідношення між умовним паливом і натуральним виражається формулою

Вт = (Qнр / 7000) Вн = Е Вн,

де Вт - маса еквівалентної кількості умовного палива, кг;

Вн - маса натурального палива, кг (тверде та рідке паливо) або м3 -газообразного;

Qнр - нижча теплота згоряння даного натурального палива, ккал / кгілі ккал / м3.

СоотношеніеЕ = Qнр / 7000

називається калорійним коефіцієнтом, І його приймають для:

Нафти - 1,43;

Природного газу-1,15;

Торфа- 0,34-0,41 (в залежності від вологості);

Торфобрикетів - 0,45 -0,6 (в залежності від вологості);

Дизпалива - 1,45;

Мазута- 1,37.

Теплотворна здатність різних видів палива, Ккал / кг, складає приблизно:

нафту - 10 000 (ккал / кг);

природний газ - 8 000 (ккал / м3);

кам'яне вугілля - 7000 (ккал / кг);

дрова вологістю 10% - 3900 (ккал / кг);

40% - 2400 (ккал / кг);

торф вологості 10% - 4100 (ккал / кг);

40% - 2500 (ккал / кг);

Параметром, що визначає можливість використання джерела енергії є енергетичний потенціал. Він виражається в одиницях енергії Дж або кВт час. Енергетичний потенціал енергоресурсів Землі, вимірюваний в ексаджоулях, (Едж = 10 18 Дж), Оцінюється такими величинами:

ядерна енергія ділення 1,97 · 10 6
геотермальна енергія 2,94 · 10 6
енергія Сонця на рівні Землі, за 1 рік 2,41 · 10 6
хімічна енергія хімічного палива 5,21 х 10 5
термоядерна енергія 3,60 х 10 5
енергія припливів, за 1 рік 2,52 х 10 5
енергія вітру, за 1 рік 6,12 · 10 3
біоенергія лісів, за 1 рік 1,46 · 10 3
енергія річок, за 1 рік 1,19 х 10 2

2. 3 Енергетичні ресурси світу

Структура світового енергогосподарства на сьогодні склалася так, що 80% споживаної електроенергії виходить при спалюванні палива на електростанціях, де хімічна енергія палива перетворюється спочатку в тепло, теплота - в роботу, а робота - в електрику. Відчутний відсоток дає і гідроенергетика (близько 15%), решта покривається іншими джерелами, в основному атомними електростанціями. Потреби людини ростуть, людей стає все більше і це викликає гігантські обсяги виробництва енергії і темпи зростання її споживання. Сьогодні традиційні джерела енергії (різні палива, гідроресурси) та технології їх використання вже не здатні забезпечувати необхідний рівень енергоозброєності суспільства, тому що це поновлювані джерела та їх кількість стрімко скорочується. І хоча розвідані запаси природних палив дуже великі, проблема виснаження природних коморах при нинішніх і прогнозованих темпах їх розробки переходить в реальну і недалеку перспективу. Вже сьогодні ряд родовищ через виснаження виявляється непридатним для промислової розробки, і за нафтою і газом, наприклад, доводиться йти на важкодоступні, віддалені території, на океанські шельфи і т.п. Серйозні прогнозисти доводять, що при збереженні нинішніх обсягів і темпів зростання енергоспоживання в 3 ... 5% (а вони без сумніву будуть ще вище) запаси органічних палив повністю вичерпаються через 70 - 150 років.

Обмеженість запасовневозобновляемих ресурсів, використовуваних для отримання електроенергії навіть з урахуванням економії, відображена в табл.2.1. Розвиток сучасних технологій вимагає підвищення рівня використання електроенергії. Крім цього, необхідно врахувати, що темпи зростання населення дозволяють прогнозувати, що років через 40 на Землі буде жити 12 млрд. Чоловік, тому настільки жорстко стоять проблеми енергозбереження.

Таблиця 2.1. Енергетичні ресурси світу

Електроенергетика є найважливішою галуззю економіки будь-якої країни, оскільки її продукція (електрична енергія) відноситься до універсального виду енергії. Її легко можна передавати на значні відстані, ділити на велику кількість споживачів. Без електричної енергії неможливо здійснити багато технологічних процесів, як неможливо уявити наше повсякденне життя без опалення, освітлення, охолодження, транспорту, телевізора, холодильника, пральної машини, пилососа, праски, використання сучасних засобів зв'язку (телефон, телеграф, телефакс, ЕОМ), які також споживають електроенергію.

У більшості розвинених зарубіжних країн електрична складова всього паливно-енергетичного комплексу досягає 3540%, а до початку XXI століття перевищила 50%. Електрична енергія впроваджується практично в усі нові сфери промисловості, сільського господарства і побуту.

У США виходить близько 2,5 трлн. кВт · год електроенергії, в СНД - приблизно 1,75 трлн. кВт · год. Загальна потужність електростанції в США становить 660 млн. КВт · год., В СНД - близько 350 млн. КВт · год., Причому 30% з них в США знаходиться в гарячому резерві. У СНД гарячого резерву немає, а холодний становить 68% при нормативі - 13% .Ступінь ж електричної озброєності в республіці Білорусь становить 22%, що значно нижче за показники не тільки розвинених країн, але за середньосвітовий рівень (27%).

Хоча останні 25 років розвинені країни перестали нарощувати споживання енергії на душу населення, зростання споживання залишається високим за рахунок нарощування енергоспоживання на душу населення в країнах, що розвиваються. При нинішніх темпах зростання електроенергетики буде йти ще довго, в тому числі і нашої.

Т. е. З'ясувати, як можна зберегти енергію, необхідно чітко визначити, що являє собою поняття "енергія"?

Енергія (грец. - дія, діяльність) - загальна кількісна міра різних форм руху матерії.

З даного визначення випливає:

Енергія - це щось, що проявляється лише при зміні стану (положення) різних об'єктів навколишнього нас світу;

Енергія - це щось, здатне переходити з однієї форми в іншу (рис. 1.1);

Енергія характеризується здатністю робити корисну для людини роботу;

Енергія - це щось, що можна об'єктивно визначити, кількісно виміряти.

Енергія в формі А			Енергія в формі В

Мал. 1.1. Схема перетворення енергії з одного виду в інший

Енергію в природознавстві в залежності від природи ділять на наступні види.

Механічна енергія - проявляється при взаємодії, рух окремих тіл або частинок.

До неї відносять енергію руху або обертання тіла, енергію деформації при згинанні, розтягуванні, закручуванні,

Стисненні пружних тіл (пружин). Ця енергія найбільш широко використовується в різних машинах - транспортних і технологічних.

Теплова енергія - енергія невпорядкованого (хаотичного) руху і взаємодії молекул речовин.

Теплова енергія, що отримується найчастіше при спалюванні різних видів палива, широко застосовується для опалення, проведення численних технологічних процесів (нагрівання, плавлення, сушіння, випарювання, перегонки і т. Д.).

Для зіставлення різних видів палива і сумарного обліку його запасів прийнята одиниця обліку - умовне паливо, теплота згоряння якого прийнята за 29,3 МДж / кг (7000 ккал / кг) (табл. 1.1). "

Електрична енергія - енергія рухомих по електричному ланцюзі електронів (електричного струму).

Електрична енергія застосовується для отримання механічної енергії за допомогою електродвигунів і здійснення механічних процесів обробки матеріалів: дроблення, подрібнення, перемішування; для проведення електрохімічних реакцій; отримання теплової енергії в електронагрівальних пристроях і печах; для безпосередньої обробки матеріалів (Електроерозійна обробка).

Хімічна енергія - це енергія, "запасені" в атомах речовин, яка вивільняється або поглинається при хімічних реакціях між речовинами.

Хімічна енергія або виділяється у вигляді теплової при проведенні екзотермічніреакцій (наприклад, горінні палива), або перетвориться в електричну в гальванічних елементах і акумуляторах. Ці джерела енергії характеризуються високим ККД (до 98%), але низькою ємністю.

Магнітна енергія - енергія постійних магнітів, що володіють великим запасом енергії, але "віддають" її вельми неохоче. Однак електричний струм створює навколо себе протяжні, сильні магнітні поля, тому найчастіше говорять про електромагнітної енергії.

Електрична і магнітна енергії тісно взаємопов'язані між собою, кожну з них можна розглядати як "зворотний" бік іншої.

Електромагнітна енергія - це енергія електромагнітних хвиль, т. Е. Рухаються електричного і магнітного полів. Вона включає видиме світло, інфрачервоні, ультрафіолетові, рентгенівські промені і радіохвилі.

Ядерна енергія - енергія, локалізована в ядрах атомів так званих радіоактивних речовин. Вона вивільняється при розподілі важких ядер (ядерна реакція) або синтезі легких ядер (термоядерна реакція).

Гравітаційна енергія - енергія, обумовлена взаємодією (тяжінням) масивних тіл, вона особливо відчутна в космічному просторі. У земних умовах, це, наприклад, енергія, "запасені" тілом, піднятим на певну висоту над поверхнею Землі - енергія сили тяжіння.

Таким чином, в залежності від рівня прояву, можна виділити енергію макросвіту - гравітаційну, енергію взаємодії тіл - механічну, енергію молекулярних взаємодій - теплову, енергію атомних взаємодій - хімічну, енергію випромінювання - електромагнітну, енергію, укладену в ядрах атомів - ядерну.

Сучасна наука не виключає існування і інших видів енергії, поки не зафіксованих, але не порушують єдину природничо картину світу і поняття про енергію.

За великим рахунком поняття енергії, ідея про неї штучні і створені спеціально для того, щоб бути результатом наших роздумів про навколишній світ. На відміну від матерії, про яку ми можемо сказати, що вона існує, енергія - це плід думки людини, його "винахід", побудоване так, щоб була можливість описати різні зміни в навколишньому світі і в той же час говорити про сталість, збереженні чого -то, що було названо енергією, навіть якщо наше уявлення про енергію буде змінюватися з року в рік.

Одиницею вимірювання енергії є 1 Дж (Джоуль). У той же час для вимірювання кількості теплоти використовують "стару" одиницю - 1 кал (калорія) = 4,18 Дж, для вимірювання механічної енергії використовують величину 1 кгм = 9,8 Дж, електричної енергії - 1 кВт-год = 3,6 МДж, при цьому 1 Дж = = 1 Вт-С.

Необхідно відзначити, що в природничо-науковому літератури теплову, хімічну і ядерну енергії іноді об'єднують поняттям внутрішньої енергії, т. Е. Укладеної всередині речовини.

У зв'язку з розвитком виробничих технологій і значним погіршенням екологічної ситуації в багатьох регіонах земної кулі, людство зіштовхнулося з проблемою пошуку нових джерел енергії. З одного боку, кількість видобутої енергії повинно бути достатнім для розвитку виробництва, науки і комунально-побутової сфери, з іншого боку, видобуток енергії не повинна негативно позначатися на навколишньому середовищу.

Дана постановка питання привела до пошуку так званих альтернативних джерел енергії - джерел, відповідних зазначеним вище вимогам. Зусиллями світової науки було виявлено безліч таких джерел, на даний момент більшість з них вже використовується більш-менш широко. Пропонуємо вашій увазі їх короткий огляд:

Сонячна енергія

Сонячні електростанції активно використовуються більш ніж в 80 країнах, вони перетворять сонячну енергію в електричну. Існують різні способи такого перетворення і, відповідно, різні типи сонячних електростанцій. Найбільш поширені станції, що використовують фотоелектричні перетворювачі (фотоелементи), об'єднані в сонячні батареї. Більшість найбільших фотоелектричних установок світу знаходяться в США.

Енергія вітру

Вітроенергетичні установки (вітряні електростанції) широко використовуються в США, Китаї, Індії, а також в деяких західноєвропейських країнах (наприклад в Данії, де 25% всієї електроенергії видобувають саме таким способом). Вітроенергетика є вельми перспективним джерелом альтернативної енергії, в даний час багато країн значно розширюють використання електростанцій даного типу.

біопаливо

Головними перевагами даного джерела енергії перед іншими видами палива є його екологічність і поновлювані. До альтернативних джерел енергії відносяться не всі види біопалива: традиційні дрова теж є біопаливом, але не є альтернативним джерелом енергії. Альтернативне біопаливо буває твердим (торф, відходи деревообробки та сільського господарства), рідким (біодизель та біомазут, а також метанол, етанол, бутанол) і газоподібне (водень, метан, біогаз).

Енергія припливів і хвиль

На відміну від традиційної гідроенергетики, що використовує енергію водного потоку, альтернативна гідроенергетика поки не отримала широкого розповсюдження. До головних мінусів приливних електростанцій відносяться висока вартість їх будівництва і добові зміни потужності, їх за яких електростанції цього типу доцільно використовувати тільки в складі енергосистем, що використовують також і інші джерела енергії. Основні плюси - висока екологічність і низька собівартість отримання енергії.

Теплова енергія Землі

Для розробки цього джерела енергії використовуються геотермальні електростанції, що використовують енергію високотемпературних грунтових вод, а також вулканів. На даний момент більш поширеною є гідротермальних енергетика, яка використовує енергію гарячих підземних джерел. Петротермальная енергетика, заснована на використанні «сухого» тепла земних надр, на даний момент розвинена слабо; основною проблемою вважається низька рентабельність даного способу отримання енергії.

Атмосферний електрику

(Спалахи блискавок на поверхні Землі відбуваються практично одночасно в різних місцях планети)

Грозова енергетика, яка грунтується на захопленні і накопиченні енергії блискавок, поки знаходиться в стадії становлення. Головними проблемами грозовий енергетики є рухливість грозових фронтів, а також швидкість атмосферних електричних розрядів (блискавок), що утрудняє накопичення їх енергії.

Перш ніж говорити про основні заходи, що забезпечують енергозбереження, тобто з'ясувати, як можна зберегти енергію, необхідно чітко визначити, що являє собою поняття "енергія"?

Енергія (грец. - дія, діяльність) - загальна кількісна міра різних форм руху матерії.

З даного визначення випливає:

Енергія - це щось, що проявляється лише при зміні стану (положення) різних об'єктів навколишнього нас світу;

Енергія - це щось, здатне переходити з однієї форми в іншу;

Енергія характеризується здатністю робити корисну для людини роботу;

Енергія - це щось, що можна об'єктивно визначити, кількісно виміряти.

Енергію в природознавстві в залежності від природи ділять на наступні види.

Механічна енергія - проявляється при взаємодії, рух окремих тіл або частинок.

До неї відносять енергію руху або обертання тіла, енергію деформації при згинанні, розтягуванні, закручуванні, стисненні пружних тіл (пружин). Ця енергія найбільш широко використовується в різних машинах - транспортних і технологічних.

Теплова енергія - енергія невпорядкованого (хаотичного) руху і взаємодії молекул речовин.

Для зіставлення різних видів палива і сумарного обліку його запасів, оцінки ефективності використання енергетичних ресурсів, порівняння показників теплоиспользующих пристроїв прийнята одиниця вимірювання - умовне паливо, Теплота згоряння якого прийнята за 29,33 МДж / кг (7000 ккал / кг). Для порівняльного аналізу зазвичай використовується одиниця вимірювання тонна умовного палива.

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

Цей показник відповідає хорошому малозольних вугіллю, який іноді називається вугільним еквівалентом. За кордоном для аналізу використовується умовне паливо з теплотою згоряння 41,9 МДж / кг. Цей показник називається нафтовим еквавалентом.

Електрична енергія - енергія рухомих по електричному ланцюзі електронів (електричного струму).

Електромагнітна енергія - це енергія електромагнітних хвиль, тобто рухомих електричного і магнітного полів. Вона включає видиме світло, інфрачервоні, ультрафіолетові, рентгенівські промені і радіохвилі.

Одиницею вимірювання енергіїє 1 Дж (Джоуль). У той же час для вимірювання кількості теплоти використовують "стару" одиницю - 1 кал (калорія) = 4,18 Дж, для вимірювання механічної енергії використовують величину 1 кг · м = 9,8 Дж, електричної енергії - 1 кВт · год = 3 , 6 МДж, при цьому 1 Дж = 1 Вт · С.

Необхідно відзначити, що в природничо-науковому літератури теплову, хімічну і ядерну енергії іноді об'єднують поняттям внутрішньої енергії, тобто укладеної всередині речовини.