Физика. 8 класс. Барьяхтар

§ 18. Теплоэнергетика. Способы сохранения энергетических ресурсов

Человек нуждается в энергии буквально на каждом шагу. К сожалению, энергии обычно не хватает, поэтому на протяжении всего своего существования человечество ищет способы ее получения и экономии. Особенно это актуально сейчас, когда стало заметным «дно» мировых запасов органического топлива (ископаемых ресурсов). Были сформулированы некоторые общие принципы энергосбережения и разработаны технологии их воплощения в жизнь с помощью новейшего оборудования.

1. Узнаём о роли теплоэнергетики в жизни человека

На протяжении многих столетий практически единственным источником энергии для человечества было топливо, другие источники (ветер и вода) занимали незначительное место.

В XX в. заметную роль в энергетике стали играть альтернативные источники энергии. Примерами таких источников являются гидроэлектростанции, атомные электростанции, ветрогенераторы, солнечные батареи (рис. 18.1-18.4).

Рис. 18.1. Гидроэлектростанция (ДнепроГЭС)

Рис. 18.2. Общий вид атомной электростанции (Запорожская АЭС)

Альтернативные источники энергии, разработка и создание которых требуют значительных затрат, появились «не от хорошей жизни». Ведь именно в XX в. резко возросло использование тепловых машин — устройств, преобразующих энергию топлива в другие виды энергии (электрическую, механическую). Речь идет прежде всего об автомобилях и других транспортных средствах, использующих в качестве источника энергии продукты переработки нефти (бензин и дизельное топливо). Кроме того, практически везде для обогрева жилья и приготовления пищи применяют устройства, сжигающие природный газ. Этот газ в значительном количестве используют также в производственных процессах (металлургия, химический синтез). Газ, нефть, уголь используют для производства электроэнергии на тепловых электростанциях.

Рис. 18.3. Ветрогенератор

Вы уже знаете, что указанные виды топлива являются ископаемыми ресурсами и что их запасы ограничены. Примерно за 100 лет миллионы автомобилей «съели» значительную часть мировых запасов нефти. Существует мнение, что запасы природного газа исчерпаются примерно через 40 лет; разведанных запасов угля хватит на несколько сотен лет. К тому же при сжигании угля, нефти и газа расходуется большое количество кислорода. Так, для сжигания 1 кг угля необходимо 2,7 кг кислорода, 1 кг нефти — 3,4 кг кислорода, 1 кг природного газа (метана) — 4 кг кислорода.

Рис. 18.4. Панель солнечных батарей

2. Размышляем об экономии энергетических ресурсов

Приведенные данные свидетельствуют о том, что через несколько десятков лет привычные сейчас виды топлива окажутся на грани исчезновения. Что же делать?

На сегодня предлагаются три основных направления решения проблемы будущего «энергетического голода».

1. Экономия имеющихся ископаемых ресурсов. Речь идет об использовании новых технических решений — энергосберегающих технологиях.

2. Постепенная замена топлива из ископаемых ресурсов на топливо, получаемое из растений. Сейчас уже используются два типа технологий производства растительного топлива: добыча заменителей бензина из растений, содержащих сахар, и переработка в дизельное топливо масла, получаемого из некоторых растений (например, рапса).

3. Использование альтернативных источников энергии. Прежде всего речь идет о ядерной и термоядерной энергиях. Ископаемых запасов урана — топлива для атомных станций — хватит на несколько сотен лет. Во многих странах (Франция, Украина, США) этот вид производства электрической энергии является одним из основных. Так, в Украине на атомных станциях вырабатывается около половины всей электроэнергии.

Неисчерпаемым источником может стать термоядерная энергия (рис. 18.5). Запасов тяжелого водорода — топлива для термоядерного синтеза — в Мировом океане хватит на много тысячелетий.

Рис. 18.5. Общий вид экспериментальной термоядерной установки

3. Знакомимся с энергосберегающими технологиями

Современные принципы энергосбережения заключаются не только в применении новинок, пусть и уникальных. Принципиальной является задача комплексного использования нескольких технологий.

Рассмотрим, например, обычную квартиру. Наибольшее количество энергии, поступающей в нее, — это энергия, необходимая для обогрева. Замена традиционных окон на стеклопакеты, утепление дверей, нанесение специального теплозащитного покрытия на внешние стены дома позволят сэкономить значительное количество тепла, которое обычно идет на «обогрев окружающей среды».

Горячая вода часто поступает в дома из котельных, расположенных на расстоянии в несколько километров. Такой длинный путь теплоснабжения связан с большими потерями энергии. Если же обогреватель (электрический или газовый котел) установить в квартире, то этот путь будет в сотни раз короче, — очевидно, что в сотни раз уменьшатся и потери тепла. Более того, котел не только нагревает батареи отопления, но и обеспечивает горячей водой кухню и ванную комнату.

Для экономии электрической энергии следует применять энергосберегающие лампы и электроприборы с небольшим потреблением энергии.

• Подумайте, за счет чего еще возможна экономия энергии в домах.

Мы привели простой пример комплексного подхода к энергосбережению в помещениях. Аналогичные принципы, только со значительно большим количественным эффектом, успешно применяют и в производственных процессах.

4. Выясняем, как теплоэнергетика влияет на природу

Пока тепловые станции не имели большой мощности, а автомобилей было немного, негативные последствия работы тепловых машин не очень беспокоили человечество. Соответствующие проблемы стали актуальными сравнительно недавно, во второй половине XX в., когда начали выпадать кислотные дожди, вызванные выбросами электростанций, когда люди начали задыхаться в автомобильных пробках, вдыхая вместе с воздухом ядовитый угарный газ, и т. д.

Ученые предлагают различные технические решения этих проблем. В качестве примера приведем ряд решений по уменьшению выбросов бензиновых двигателей:

— удаление из состава бензина ядовитых соединений свинца;

— «досжигание» с помощью специальных устройств угарного газа до менее вредного углекислого газа;

— создание экологически чистых электромобилей (рис. 18.6). Электромобили практически не загрязняют окружающую среду: в них используют электрический двигатель, который питается от аккумуляторов;

— использование «гибридных» автомобилей, оснащенных двумя двигателями — электрическим и бензиновым: экологически чистый электрический двигатель целесообразно использовать в городе (где много автомобилей), а бензиновый — за городом (где загрязнение воздуха не столь опасно).

Рис. 18.6. Внешне электрические автомобили совсем не отличаются от своих бензиновых «братьев»

В настоящее время у человечества есть еще одна большая проблема. Дело в том, что во время работы тепловых машин выделяется углекислый газ (СО₂), который в большом количестве становится очень опасным. По оценкам ученых, за 200 лет интенсивной работы тепловых машин в атмосферу было выброшено около одного триллиона (10¹²) тонн СО₂. Это огромное количество углекислого газа вызвало так называемый парниковый эффект — повышение температуры поверхности Земли. Почему это произошло?

Солнце, как вы знаете, не только освещает, но и обогревает Землю. Еще сто лет назад получаемое Землей тепло практически полностью излучалось (возвращалось) в космос. После того как в верхних слоях атмосферы накопилось значительное количество углекислого газа, этот газ стал своеобразным «зеркалом» для излучения с поверхности Земли. В результате часть энергии задерживается в атмосфере и нагревает ее.

Из-за парникового эффекта средняя температура поверхности Земли повысилась на 0,6 °C. Но даже это небольшое нагревание уже привело, по мнению многих ученых, к изменениям климата. Если же средняя температура поверхности Земли повысится на 2 °C, то неминуемыми станут глобальные катаклизмы: таяние ледников, подъем уровня Мирового океана, затопление портовых городов и др.

Чтобы избежать таких катастрофических последствий, в 1997 г. в г. Киото (Япония) правительства многих стран подписали так называемый Киотский протокол. Согласно этому документу, для каждой страны мира определен максимальный объем выбросов СО₂ (речь идет и о промышленных, и о бытовых источниках). Если этот объем превышен, то страна-нарушитель платит определенную сумму штрафа, которую затем используют для снижения уровня выбросов.

В 2015 г. Киотский протокол был дополнен Парижским соглашением, в котором описаны дальнейшие перспективы ограничения выбросов.

Подводим итоги

Нефть, природный газ и уголь — это ископаемые ресурсы, запасы которых ограничены.

Основные направления преодоления энергетического кризиса:

— экономия имеющихся ископаемых ресурсов;

— внедрение новейших технологий с целью уменьшения использования топлива из невозобновляемых ресурсов;

— использование альтернативных источников энергии, прежде всего ядерной и термоядерной энергий.

Использование новейших технологий позволяет уменьшить потребление тепловой энергии в несколько раз.

Контрольные вопросы

1. Какие источники энергии издавна использует человечество? 2. Назовите альтернативные источники энергии. 3. Перечислите основные направления преодоления энергетического кризиса. 4. Приведите примеры энергосберегающих технологий. 5. Как влияют тепловые источники энергии на окружающую среду? 6. Что такое Киотский протокол?

Упражнение № 18

1. Один из лучших источников энергии — Солнце. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, где используют солнечную энергию сегодня и каковы перспективы ее использования в будущем.

2. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о перспективах развития альтернативной энергетики в Украине.

Физика и техника в Украине

Институт технической теплофизики НАН Украины (ИТТФ) (Киев)

ИТТФ создан в 1947 г. на базе Института энергетики АН УССР. Сегодня ИТТФ — ведущий в Украине центр в области тепломассообмена, теплоэнергетики и энергосберегающих теплотехнологий. Работа института направлена на исследование теплофизических процессов, развитие теории теплопереноса, измерение тепловых величин. Ученые ИТТФ работают над решением актуальных проблем: повышение энергоэффективности при изготовлении, транспортировке и потреблении тепловой энергии; комплексная модернизация объектов коммунальной теплоэнергетики путем разработки и реализации региональных программ, привлечения к топливно-энергетическому потенциалу возобновляемых источников энергии и местных видов топлива.

В разные годы научный коллектив ИТТФ возглавляли выдающиеся ученые: И. Т. Швец, Г. М. Щеголев, В. И. Толубинский, Г. Л. Бабуха, О. А. Геращенко. В 1982-2015 гг. институтом руководил известный ученый в области тепломассопереноса академик НАН Украины Анатолий Андреевич Долинский; сейчас он почетный директор института.

С 2016 г. директор ИТТФ — член-корреспондент НАНУ Юрий Федорович Снежкин.