Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг

Енергетика сьогодення й майбутнього

Ті джерела енергії, що донедавна називали альтернативними, на сьогодні дедалі більше переходять до розряду буденних. Сонячні батареї, вітряки трапляються як у промислових масштабах, так і в побутовому секторі. Але пошук нових джерел енергії й удосконалення технологій використання традиційних зараз набуває особливого значення. Які проблеми під час цього виникають? Де шукати нові джерела? Яке майбутнє чекає на енергетику?

Щоб розібратися в цих питаннях, варто взяти до уваги, що енергетика — це сукупність галузей господарства, які вивчають і використовують енергетичні ресурси з метою вироблення, перетворення, передавання й розподіляння енергії. Глобалізація економіки й суспільства зумовлює необхідність вивчення можливостей інноваційних напрямів розвитку енергетики, забезпечене багатьма науками (мал. 2.14).

Мал. 2.14. Що забезпечує інноваційний розвиток енергетики

Сучасна енергетика розвивається на базі фундаментальних напрацювань фізики, хімії, біології тощо. З галузі фізики це:

• фотоелементи третього покоління з к. к. д. до 40-60 %, які забезпечать широке використання сонячної енергії;
• суперконденсатори великого об’єму й надпровідники, використання яких веде до революції в накопиченні й передаванні електроенергії, масової електрифікації транспорту;
• дослідно-промислове освоєння термоядерної енергії, що дає надію усунути проблему обмеженості енергоресурсів.

Найбільші досягнення сьогодні — у розробці фотоелементів. Найтривалішими й найскладнішими донині залишаються спроби підкорити термоядерний синтез. Річ у тім, що під час реакції синтезу утворюється настільки гаряча й нестійка речовина, що її практично неможливо втримати в реакторі. Це, однак, не є перепоною для виділення мільярдів доларів для дослідження технологій і розв’язування цих проблем (мал. 2.15). І якщо будуть подолані ці труднощі, то термоядерний синтез забезпечить світ практично невичерпною енергією.

Мал. 2.15. а — компанія Lockheed створює компактний термоядерний реактор; б — схема термоядерного реактора

На досягненнях хімії й наук про матеріали розробляють технології добування рідкого палива з газу, вугілля, сланців і, особливо, з біомаси, а також методи й засоби прямого перетворення хімічної енергії на електричну. За останні десятиліття виробництво біопалива виросло більш ніж на 500 %, оскільки етанол і біодизель рослинного походження стали основними добавками до автомобільного палива. Насправді, коли конструктор автомобілів Генрі Форд (1863-1947, США) започатковував свій бізнес, він розраховував, що автомобілі працюватимуть на етанолі. Однак повсюдне відкриття родовищ нафти зробило саме її найдешевшим джерелом енергії. Сьогодні біопаливо відвойовує свої позиції. Єдиним недоліком є те, що біопаливо витісняє землі для вирощування харчових культур, що підвищує ціни на них і спричиняє багато проблем у світі.

Перспективними біопаливом є водорості, які можуть замінити нафту раз і назавжди. Гарантією цього є природна маслянистість водоростей. А залишки рослин можна перетворити на біогаз або добрива.

Перспективним паливом майбутнього вважають водень. Його перетворення з виділенням теплової й електричної енергії в теплових машинах дає змогу досягти вищих температур парогазових сумішей, ніж для чистого природного газу, і тим самим істотно підвищити к. к. д. вироблення енергії із цих сумішей. Воднева енергетика сьогодні — важливий складник «зеленої» економіки, спрямованої на скорочення викидів оксидів Карбону в атмосферу.

Використання електроенергії, як відомо, почалося з гальванічних елементів, зараз потужність хімічних акумуляторів перевищує потужність усіх електростанцій Землі, а попереду — розвиток паливних елементів для транспорту й розподіленої енергетики. Досягнення біології та хімії дають наукову основу для добування високоякісного рідкого й газового пального з різних видів біомаси.

Зрозуміло, що матеріалізувати фізичні явища й хімічні процеси неможливо без досягнень матеріалознавства та машинобудування.

Науки про Землю розробляють нові геологічні методи розвідки й освоєння родовищ вуглеводнів на суші та шельфі (включно з підлідним видобутком). Хороші перспективи є у використання геотермальної енергії. Особливу проблему становить створення методів промислового освоєння газогідратів, ресурси яких у зонах вічної мерзлоти й на морському глибоководді на порядок більші за ресурси природного газу.

Дуже важливо, щоб науки про Землю в частині кліматології й екосфери визначилися з реальністю загрози клімату від емісії парникових газів і за необхідності виробили ефективні протидії, включно з науковими основами й методами геоінженерії. В іншому випадку збереження клімату внаслідок зниження емісії парникових газів майже подвоїть капіталовкладення в енергетику.

Від суспільних наук хотілося б отримати економічно та соціально обґрунтовані концепції, що замінять споживчу парадигму розвитку суспільства. Це дало б змогу уповільнити агресивне ресурсо- й енергоспоживання, інтенсивне забруднення навколишнього середовища.

Досягнення математики, інформаційних технологій і процесів керування забезпечують критерії економічної ефективності й екологічної прийнятності.

І найбільшим безкоштовним джерелом енергії залишається Сонце. За даними фахівців, усього за один тиждень на земну поверхню від Сонця надходить така кількість енергії, яка перевершує енергію світових запасів усіх видів палива (мал. 2.16).

Мал. 2.16. Порівняльна діаграма світового споживання енергії за рік із запасами енергетичних ресурсів, річною енергією Сонця та відновлювальної енергетики

І хоча енергію Сонця люди використовують споконвіку, геліоенергетика — відносно новий вид енергетики (порівняно з гідро- й вітроенергетикою). Ідеться про пряме перетворення сонячного випромінювання на електричну або теплову енергію.

Одним зі способів використання цієї енергії є створення гігантських сонячних ферм у космосі. Одна з причин, чому цей проект перебуває на стадії ідеї, — це його величезна вартість. Проте він може стати реальністю не в настільки віддалений час унаслідок розвитку геліотехнологій і зменшення вартості доправлення обладнання в космос.

Мал. 2.17. Перспективи геліоенергетики

На Землі в геліоенергетики є істотне обмеження: адже немає сонця — немає енергії. Та обладнання весь час удосконалюють, тож сучасні геліопанелі здатні вловлювати навіть розсіяне сонячне випромінювання й перетворювати його на енергію потрібного виду. Також використовують акумулятори, які заряджаються в сонячні дні, а витрачають цю енергію в нічний час і за похмурої погоди. Окрім того, сонячні панелі часто поєднують з іншими видами генераторів, щоб компенсувати простій у дощові, снігові або туманні дні.

З кожним днем виробництво й установлення сонячних батарей дешевшає, що сприяє масовому їхньому поширенню. Окрім розглянутих геліопанелей, для перетворення енергії сонячного випромінювання використовують тонкоплівкові панелі — як прозоре скло. Коли ця технологія подешевшає, то освітлене сонцем вікно можна перетворити на мініатюрну сонячну станцію. Тонкоплівкову панель можна буде розмістити навіть на корпусі ноутбука або на дамській сумочці.

Ми не згадали про ще одне перспективне джерело енергії — сміття й відходи (мал. 2.18).

Мал. 2.18. Чи врятує сміття від енергетичної кризи?

Як відомо, основним споживачем енергоресурсів є промисловість, а ось друге місце посідає побутовий сектор (мал. 2.19)! Тобто ми з вами.

Мал. 2.19. Споживачі енергоресурсів

Чим ми можемо сприяти розв’язуванню проблем енергетики? Це — енергозбереження, забезпечене навиками й поведінкою людини, удосконаленням енергетичних установок й застосуванням енергозберігальних матеріалів і конструкцій.

Перспективним у цьому напрямі є комбіноване виробництво тепла й електроенергії (когенерація), а якщо ще й холоду — тригенерація.

Мал. 2.18.

Які проблеми супроводжують енергетику? Передусім, це екстенсивне й нераціональне споживання водних ресурсів для традиційної енергетики (ТЕС, великі ГЕС, АЕС). Інші проблеми, пов’язані з негативним впливом енергетики на стан навколишнього середовища такі. Викиди від роботи цієї галузі становлять 30 % усіх твердих частинок, що надходять в атмосферу внаслідок господарської діяльності людини. За цим показником електростанції зрівнялися з підприємствами металургії й випереджають інші галузі промисловості. Викиди ТЕС, що містять оксиди Сульфуру, є чи не головним джерелом кислотних дощів в Україні. Рослини та океан вже не встигають поглинути всю кількість вуглекислого газу, який утворюється внаслідок спалювання органічного палива. Це призводить до поступового збільшення його концентрації в атмосфері й посилення парникового ефекту, що стає однією з причин глобального потепління.

Негативного екологічного впливу завдає велика гідроенергетика. Будування гідровузлів призводить до затоплення великих площ. Водосховища підвищують рівень навколишніх ґрунтових вод, стають причиною інтенсивного руйнування крутих берегів. Розвиток ядерної енергетики завжди супроводжуваний ризиками щодо можливості аварій на ядерних реакторах і радіоактивних викидів.

Які заходи дали б змогу мінімізувати негативні тенденції у сфері енергетики? Передусім, це:

• економне використання енергії (за нинішнього рівня техніки можна зменшити сумарне споживання енергії на 35-40 %);
• зменшення шкідливих викидів в атмосферу завдяки новим технологіям очищення відпрацьованих газів;
• зміна структури паливно-енергетичного балансу через розвиток альтернативної енергетики.

Можливо, ви запропонуєте ще якісь заходи? Зробіть це!

ПОДУМАЙТЕ Й ВІДПОВІДАЙТЕ

1. Класифікуйте джерела енергії.

2. Наведіть приклади відновлювальних джерел енергії.

3. Поясніть: а) чому саме вугілля довгий час залишалося основним енергоджерелом у промисловості й на транспорті; б) як утворюється нафта в природі; в) що спричинило збільшення споживання нафти; г) чому природний газ вважають екологічно найчистішим з-поміж невідновлюваних джерел енергії; д) як відбувається перетворення енергії в механічних і теплових процесах; е) у чому полягає закон збереження й перетворення енергії в механічних і теплових процесах; є) технологічні схеми виробництва енергії на ТЕС, АЕС та ГЕС; ж) за якими ознаками енергоресурси поділяють на традиційні й альтернативні.

4. Опишіть: а) запаси й динаміку споживання енергоресурсів у світі; б) споживання енергії Сонця людьми.

5. Оцініть переваги та недоліки традиційних й альтернативних джерел енергії.

6. Назвіть фізичний закон, що є визначальним для пояснення принципу роботи: а) простого механізму; б) теплової машини.

7. Схарактеризуйте: а) сучасні тенденції та регіональні відмінності розвитку енергетики в Україні; б) перспективи подальшої експлуатації в Україні АЕС, ГЕС, ВДЕ.

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

ПРАКТИЧНІ РОБОТИ

Порівняльна характеристика структури енергетики України та однієї з країн Європи (за вибором).

ЗАХИСТ НАВЧАЛЬНИХ ПРОЄКТІВ

• Проблеми енергозабезпечення: національні та локальні.

• Отримання електроенергії з альтернативних джерел.

• Альтернативні джерела енергії в моїй місцевості.

• Ресурсозабезпеченість: порівняння України і світу.

• Транснаціональні проекти в галузі енергетики.

• Енергетична безпека.