Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
§ 18. Теплоенергетика. Способи збереження енергетичних ресурсів
Життєдіяльність сучасної людини на кожному кроці потребує споживання енергії. На жаль, енергії зазвичай не вистачає, тому протягом свого існування людство накопичує знання щодо її економії. Особливо це є актуальним останнім часом, коли стало помітним «дно» світових запасів органічного палива (викопних ресурсів). І саме зараз сформовано декілька загальних принципів енергозбереження та розроблено технології для втілення цих принципів у життя через новітні пристрої та обладнання.
1. Дізнаємося про роль теплоенергетики в житті людини
Протягом багатьох століть паливо було практично єдиним джерелом енергії для людства, інші джерела (вітер і вода) посідали незначне місце.
У XX ст. альтернативні джерела енергії стали відігравати помітну роль в енергетиці. Прикладами таких джерел є гідроелектростанції, атомні електростанції, вітрогенератори, сонячні батареї (рис. 18.1-18.4).
Альтернативні джерела енергії, розроблення й створення яких потребує значних витрат, виникли «не від доброго життя». Адже саме у XX ст. різко зросло використання теплових машин — пристроїв, що перетворюють енергію палива на інші види енергії (електричну, механічну). Ідеться насамперед про автомобілі та решту транспортних засобів, які використовують як джерело енергії продукти переробки нафти (бензин і дизельне паливо). Крім того, практично всюди для обігрівання житла та приготування їжі застосовують пристрої, що спалюють природний газ. Цей газ у значній кількості використовують також у виробничих процесах (металургія, хімічний синтез). Газ, нафту, вугілля застосовують для вироблення електроенергії на теплових електростанціях.
Рис. 18.1. Гідроелектростанція (ДніпроГЕС)
Як ви знаєте, зазначені види палива є викопними ресурсами і їх запаси обмежені. Приблизно за 100 років мільйони автомобілів «з’їли» значну кількість світових запасів нафти. Існує думка, що запаси природного газу вичерпаються протягом десь 40 років; розвіданих запасів вугілля вистачить на кількасот років споживання. До того ж для спалювання вугілля, нафти та газу потрібна велика кількість кисню. Так, щоб спалити 1 кг вугілля, необхідно 2,7 кг кисню, 1 кг нафти — 3,4 кг, 1 кг природного газу (метану) — 4 кг.
2. Розмірковуємо про збереження енергетичних ресурсів
Наведені дані свідчать про те, що через декілька десятків років звичні зараз види палива опиняться на межі зникнення. Що ж робити?
На сьогодні пропонують три основні напрями розв’язання проблеми майбутнього «енергетичного голоду».
1. Економія наявних викопних ресурсів. Ідеться про використання нових технічних рішень — енергозбережувальних технологій.
2. Поступова заміна палива з викопних ресурсів на паливо, одержуване з рослин. Зараз уже використовують два типи технологій виробництва рослинного палива: видобування замінників бензину з рослин, що містять цукор, та переробляння на дизельне паливо олії, одержуваної з деяких рослин (наприклад, ріпаку).
3. Використання альтернативних джерел енергії. Насамперед ідеться про ядерну енергію. Викопних запасів урану — палива для атомних станцій — вистачить на кілька сотень років. У багатьох країнах (Франція, Україна, США) цей вид виробництва електричної енергії є одним із провідних. Так, в Україні на атомних станціях виробляють близько половини всієї електроенергії.
3. Знайомимося з енергозбережувальними технологіями
Сучасні принципи енергозбереження полягають не лише в застосуванні певних новинок, нехай і унікальних. Принциповим є завдання комплексного використання кількох технологій.
Розглянемо звичайну квартиру. Найбільша кількість енергії, що надходить до неї, — це енергія, необхідна для обігрівання. Заміна традиційних вікон на склопакети, утеплення дверей, нанесення спеціального теплозахисного покриття на зовнішні стіни будинку дозволяють зекономити значну кількість тепла, яке зазвичай втрачається на «обігрів довкілля».
Рис. 18.2. Загальний вигляд атомної електростанції (Запорізька АЕС)
Рис. 18.3. Вітрогенератор
Рис. 18.4. Панель сонячних батарей
Часто гаряча вода надходить до будинків від котелень, які розташовані на відстані в декілька кілометрів. Усю цю відстань гаряча вода проходить по трубах. Такий довгий шлях постачання пов’язаний із великими втратами тепла. Якщо ж обігрівач (електричний або газовий котел) установити у квартирі, то цей шлях складатиме лише кілька метрів. Більш того, котел не тільки нагріває батареї, але й забезпечує гарячу воду для кухні та ванної.
Для економії електричної енергії слід застосовувати економічні лампи та електричні прилади з високим ККД.
Поміркуйте, за рахунок чого ще можлива економія в домівках.
Ми навели простий приклад комплексного підходу до енергозберігання в помешканнях. Аналогічні принципи, тільки зі значно більшим кількісним ефектом, успішно застосовують для виробничих процесів.
4. Дізнаємось, як впливає теплоенергетика на природу
Доки теплові станції не мали великої потужності, а автомобілів було небагато, шкідливість теплових машин не дуже турбувала людство. Проблема стала актуальною в другій половині XX ст., коли з’явилися кислотні дощі, спричинені викидами електростанцій, люди почали задихатися в автомобільних заторах, вдихати разом із повітрям отруйний чадний газ тощо.
Учені пропонують різні технічні вирішення цих проблем. Як приклад наведемо кілька рішень щодо зменшення викидів бензинових двигунів:
— видалення зі складу бензину отруйних сполук свинцю;
— «доспалювання» за допомогою спеціальних пристроїв чадного газу до менш шкідливого вуглекислого газу;
— створення екологічно чистих електромобілів (рис. 18.5). Електромобілі практично не забруднюють довкілля: в них використовують електричний двигун, що живиться від акумуляторів;
Рис. 18.5. Зовні електричні автомобілі зовсім не відрізняються від своїх «бензинових братів»
— використання гібридних автомобілів, оснащених двома двигунами — електричним і бензиновим: екологічно чистий електричний двигун доцільно використовувати в місті (де забагато автомобілів), а бензиновий — за містом (де забруднення повітря не є таким небезпечним).
Для людства існує ще одна велика проблема. Річ у тім, що під час роботи теплових машин виділяється вуглекислий газ (СО2), який у великій кількості стає дуже небезпечним. За оцінками вчених, за 200 років інтенсивної роботи теплових машин в атмосферу було викинуто близько одного трильйона (1012) тонн СО2. Ця величезна кількість вуглекислого газу спричинила так званий парниковий ефект — підвищення температури поверхні Землі. Чому так сталося?
Сонце, як ви знаєте, не тільки освітлює, але й обігріває Землю. Ще сто років тому одержуване Землею тепло практично повністю випромінювалося (поверталося) у космос. Після того як у верхніх шарах атмосфери накопичилася значна кількість вуглекислого газу, цей газ став своєрідним «дзеркалом» для випромінювання з поверхні Землі. У результаті частина енергії затримується в атмосфері й нагріває її.
Через парниковий ефект середня температура поверхні Землі підвищилася на 0,6 °С. Але навіть це невелике нагрівання вже призвело, на думку багатьох учених, до глобальних змін клімату. Якщо ж середня температура поверхні Землі підвищиться на 2 °С, то неминучими стануть глобальні катаклізми: танення льодовиків, піднімання рівня Світового океану, затоплення портових міст та ін.
Щоб уникнути таких катастрофічних наслідків, у 1997 р. в м. Кіото (Японія) уряди багатьох країн підписали так званий Кіотський протокол. Згідно із цим документом для кожної країни світу визначено максимальний об’єм викидів СО2 (від промислових і побутових джерел разом). Якщо цей об’єм перевищено, то країна-порушник сплачує певну суму штрафу, яку потім використовують для зниження рівня викидів. У 2015 р. Кіотський протокол був доповнений Паризькою угодою, в якій окреслено подальші перспективи обмеження викидів.
Підбиваємо підсумки
Нафта, природний газ і вугілля — це викопні ресурси, запаси яких є вичерпними, обмеженими.
Основні напрями подолання енергетичної кризи:
— економія наявних викопних ресурсів;
— впровадження новітніх технологій з метою зменшення використання палива з вичерпних ресурсів;
— використання альтернативних джерел енергії, насамперед ядерної енергії.
Використання новітніх технологій дозволяє зменшити споживання теплової енергії в кілька разів.
Контрольні запитання
1. Які джерела енергії здавна використовує людство? 2. Які існують типи альтернативних джерел енергії? 3. Яка причина безповоротного зменшення викопних ресурсів? 4. Перелічіть основні напрями подолання енергетичної кризи. 5. Наведіть приклади енергозбережувальних технологій. 6. Як впливають теплові джерела енергії на навколишнє середовище? 7. Що таке Кіотський протокол?
Вправа № 18
1. Основним джерелом енергії на Землі є Сонце. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, де зараз використовується сонячна енергія і де вона може бути використана із часом.
2. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про перспективи розвитку альтернативної енергетики України.
Фізика і техніка в Україні
Інститут технічної теплофізики НАН України (ІТТФ) (Київ). ІТТФ створено в 1947 р. на базі Інституту енергетики АН УРСР. На сьогодні ІТТФ — провідний в Україні центр у галузі тепломасообміну, теплоенергетики та енергозбережувальних теплотехнологій. Робота інституту спрямована на дослідження теплофізичних процесів, розвиток теорії теплопереносу, вимірювання теплових величин. Учені ІТТФ працюють над вирішенням актуальних проблем: підвищення енергоефективності в ході вироблення, транспортування та споживання теплової енергії; комплексна модернізація об’єктів комунальної теплоенергетики шляхом розробки і реалізації регіональних програм, залучення до паливно-енергетичного потенціалу відновлювальних джерел енергії та місцевих видів палива.
У різні роки науковий колектив ІТТФ очолювали видатні вчені: І. Т. Швець, Г. М. Щоголєв, В. І. Толубинський, Г. Л. Бабуха, О. А. Геращенко, А. А. Долінський.