Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг

Е. 2. Енергетика

Історія енергетики від часів, коли людина оволоділа вогнем, енергією річок, вітру, і дотепер відображає постійний пошук, великі відкриття, накопичення й передавання від покоління до покоління знань, найважливіших досягнень у цій царині. Чи зможе людство опанувати нові джерела енергії, чи повернемося до першоджерел: енергії вогню, вітру й води?

ВИ НАВЧИТЕСЯ

Знати: види та джерела енергії; способи перетворення енергії в різних процесах; поняття енергоефективності й енергозбереження та енергетики.

Наводити приклади: традиційних й альтернативних джерел; типів електростанцій.

Пояснювати: причини домінування певних форм споживання енергії в різні часи; принципи дії простих механізмів і теплових машин; роль різних наук у розвитку енергетики.

Порівнювати принципи роботи різних електростанцій.

Застосовувати фізичні закони для пояснення перетворення енергії в механічних і теплових процесах.

Характеризувати: можливості та обмеження альтернативної енергетики; екологічні наслідки, зумовлені розвитком енергетичної галузі.

Усвідомлювати: значення енергозбереження та роль альтернативних джерел енергії; причиново-наслідкові зв’язки між наявністю й доступністю джерел енергії та характером економіки певних країн світу.

Прогнозувати основні напрями розвитку енергетики.

У пошуках енергії

Енергія відіграє особливу роль у житті людства. Адже це:

а) енергія харчування, що дає тепло для підтримки температури тіла, енергію для його руху, для здійснення розумової та фізичної праці;

б) теплова енергія для обігрівання будинків і приготування їжі, що дає змогу жити в різних кліматичних умовах й урізноманітнити харчовий раціон людини;

в) енергія для забезпечення функціонування всіх сфер промисловості, виробництва й побуту, що вможливлює стійкий розвиток економіки й суспільства.

Представникам тваринного світу, щоб жити, достатньо здобувати енергію для харчування. І лише розвиток людської цивілізації, її технічні досягнення пов’язані з пошуком різних джерел енергії, комплексним використанням, перетворенням, передаванням і розподіленням її. Однак оволодіння енергією відбувалося повільно (мал. 2.1). Тож на самому початку її еволюційного розвитку людині була доступною тільки енергія харчів, що забезпечувала роботу м’язів тіла.

Мал. 2.1. Визначте на шкалі часу епохи енергії: а) вогню; б) води й вітру; в) пари; г) електрики; ґ) атома

Пізніше людина навчилася отримувати й використовувати енергію вогню. Опанувавши вогонь і продовживши пошук нових джерел енергії в навколишньому світі, людина почала використовувати енергію руху води й вітру. Виникли перші водяні й вітряні млини, водяні колеса, парусні судна. Використання енергії води й вітру сьогодні вийшло на новий виток, який, можливо, стане новим етапом еволюційного розвитку людського суспільства.

У XVIII столітті людина опанувала теплову енергію. Паровий двигун Джеймса Ватта (1736-1819, Велика Британія) витіснив географічно залежні водяні установки. Підприємці зрозуміли, що паровий двигун може забезпечувати потреби в енергії кількох заводів. З відкриттям можливості використання нафти як палива паровий двигун став свого роду зв’язком між викопними енергетичними ресурсами та індустріалізацією. Людина набула більшої незалежності від природи. Проте використання теплових енергетичних установок породило низку проблем, які сьогодні набули глобального значення. Ідеться про видобування й перерозподілення паливно-енергетичних ресурсів, забруднення навколишнього середовища, ефективність використання й перетворення енергії.

У XIX столітті виявлено можливість використання електромагнітної взаємодії. Винайдено електродвигун, електрогенератор. Електроенергія стала основним джерелом промислових і побутових приладів і пристроїв, без яких неможливо уявити сучасний світ. До кінця XIX століття обмежене й залежне пряме підключення мануфактурних машин до вітряків, водяних і парових двигунів через приводні вали й ремені поступилося місцем електричному приводу. Він отримує енергію, що надходить дротами, протягнутим від віддалених гідроелектростанцій і паротурбінних установок. Форма й характер заводів у XX столітті змінилася кардинально, оскільки машини з електроприводом можна було встановити де завгодно.

Та не забуваймо, що електроенергія є похідною від первинних джерел енергії. Її виробляють на електростанціях за рахунок використання енергії, «схованої» в різних природних ресурсах (гідроелектростанції використовують енергію води, теплові електростанції — енергію палива, геліостанції — сонячну енергію). У 40-х роках XX століття Енріко Фермі (1901-1954, Італія, США) й інші «фізики-ядерники» в Європі й Америці зрозуміли, що розщеплення нейтроном атома Урану приводить до самовідтворювальної ланцюгової реакції розщеплення атомів, що дає змогу вивільнити величезну енергію. Це відкриття збіглося в часі з Другою світовою війною, що зумовило не лише його «мирне» застосування на атомних електростанціях, а й військове — у ядерній зброї.

Навколишній світ наповнений джерелами енергії різних видів. І, здавалося б, людство може безтурботно й комфортно жити у своєму техногенному світі. Проте це лише на перший погляд. Деякі з джерел енергії стрімко вичерпуються, деякі — ще в повній мірі дотепер не використовують. Пошук джерел енергії триває й триватиме завжди, поки є людина. Чи опиниться людство на межі енергетичної кризи? Як повноцінно використати енергію Сонця, взаємодії Землі й Місяця, термоядерного синтезу, тепла Землі. І чим є темна енергія Всесвіту? Спробуймо з’ясувати, де ще «ховається» енергія й чи можна її використати.

Якщо уважніше придивимося й поміркуємо, то побачимо, що першоджерелом багатьох видів енергії є Сонце (мал. 2.2). Воно — постійне джерело електромагнітного випромінювання, яке напряму використовують у геліоенергетиці. Результатом побічної діяльності Сонця є відповідні ефекти в атмосфері, гідросфері та геосфері у вигляді вітру, течій, хвиль тощо. Енергія біомаси є сонячною енергією, яка зв’язана під час фотосинтезу; енергія горючих копалин (нафти, вугілля, природного газу тощо) є викопною сонячною енергією, зв’язаною внаслідок фотосинтезу в минулі геологічні епохи.

Іншими першоджерелами є Земля, Місяць, людина. Унаслідок гравітаційної взаємодії Землі й Місяця виникають припливи й відпливи, енергію яких використовують у припливних електростанціях. Геотермальну енергію Землі застосовують у теплових насосах, геотермальних котельнях. Поклади урану є джерелом ядерної енергії. Енергія людини — це її фізична праця. Унаслідок діяльності людини утворюється величезна кількість сміття й відходів, що можуть бути джерелами енергії.

Мал. 2.2. Первинні джерела енергії

Сучасна енергетика переважно базується на невідновлюваних джерелах енергії — різних видах мінерального палива: нафті, природному газі, вугіллі, горючих сланцях, торфі, а також радіоактивних (переважно уранових) рудах. Їх використовують у сучасному світовому господарстві як паливно-енергетичну сировину, і тому нерідко називають традиційними енергоресурсами, тобто джерелами енергії для традиційної енергетики (теплоенергетики, гідроенергетики, ядерної енергетики). Через обмеженість запасів традиційні енергоресурси є вичерпними й не можуть гарантувати стійкого розвитку світової енергетики на тривалу перспективу, а їхнє використання — один з головних чинників, який призводить до погіршення стану навколишнього середовища та його кризового стану. Тому йде пошук нових — нетрадиційних, альтернативних джерел енергії.

До нетрадиційних (альтернативних) належать відновлювані джерела енергії (випромінювання Сонця, енергія вітру, біомаси, течії й хвилі морів й океанів, річок, теплота Землі). Ці джерела існують постійно або періодично в навколишньому середовищі й практично невичерпні. Усі відновлювані джерела енергії поділяють на дві групи, що використовують пряму енергію сонячного випромінювання та її вторинні прояви (побічна сонячна енергія), а також енергію взаємодії Сонця, Місяця й Землі. За останні роки вдосконалено технології використання відновлюваних джерел енергії. Сонячні батареї та вітряки з альтернативних уже стали майже традиційними. Відновлювані енергоресурси постійно відновлюються за рахунок природного надходження за терміни, співвимірні з термінами їхнього експлуатування. Традиційні енергоресурси теж здатні до відновлення, але терміни їхнього відновлення вимірюють у масштабах геологічного часу. Серед невідновлювальних джерел енергії також шукають нові — нетрадиційні, які гіпотетично могли б замінити традиційні (мал. 2.3).

Мал. 2.3. Класифікація джерел енергії

Незалежно від того, де люди знаходили енергію для підтримки свого суспільства й культури, зрозуміло, що людське життя завжди у владі вікової потреби в енергії. У світі останніми десятиріччями невпинно підвищувалося використання енергоносіїв. На скільки вистачить їхніх запасів? За оцінками фахівців, світові ресурси вугілля становлять 15 трильйонів тонн, а за неофіційними даними — 30 трильйонів тонн, нафти — 300 мільярдів тонн, газу — 220 трильйонів кубометрів. Розвідані запаси вугілля становлять 1 685 мільярдів тонн, нафти — 137 мільярдів тонн, газу — 142 трильйони кубометрів. Найбільші запаси нафти нині зосереджені в країнах Середнього Сходу й Північної Африки (69,3 %). Серед цих країн лідирує Саудівська Аравія — понад 22 % світових запасів. На другому місці — країни Латинської Америки — 11,3 % , у Росії — 4,7 % , у США й Канади — по 3,5 %.

Цікава обставина: Північна півкуля значно багатша на викопне паливо, ніж Південна (там і досі не знайдено жодного великого нафтового родовища). Причиною є те, що в момент накопичення органіки в прадавніх болотах тропіки розташовувалися в Європі, Сибіру, США й Канаді. Їм і належить левова частка вугілля, нафти й газу.

Щоб визначитися, на скільки вистачить запасів мінеральної сировини в тій або іншій країні або загалом у світі, потрібно враховувати темпи їхнього видобутку. Дехто вважає, що за нинішніх темпів видобутку запасів вугілля у світі вистачить приблизно на 270 років, нафти на — 35-40 років, газу — на 50 років.

Проаналізувавши дані, наведені в таблиці 2.1, ви дістанете уявлення про структуру споживання первинної енергії в Україні, країнах ЄС-15, США та світі загалом (зробіть це).

Таблиця 2.1

Енергетичні ресурси	Частка (%) споживання первинної енергії
	Світ	Україна	Країни ЄС-15	США
Природний газ	21	41	22	24
Нафта	35	19	41	38
Вугілля	23	19	16	23
Уран	7	17	15	8
Гідроресурси та інші відновлювальні джерела	14	4	6	7
Усього	100	100	100	100

За малюнком 2.4 проаналізуйте інформацію про забезпечення України енергоресурсами.

Мал. 2.4. Енергозабезпеченість України

За останні два роки більш ніж 90 % новозбудованих генерувальних потужностей у Європі — це відновлювані джерела енергії, переважно об’єкти з вироблення вітрової та сонячної енергетики. Поряд із цим, нафта, вугілля та газ ще й досі переважають у секторах транспорту, опалення та охолодження. В Україні лише 1 % електроенергії виробляють за допомогою поновлюваних джерел енергії.