Энергетические объекты города

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования «Белорусский государственный педагогический университет имени Максима Танка»

Факультет: естествознания

Специальность: география. Охрана природы

Кафедра: экономической географии и охраны природы

Дисциплина: экология урбанизированных территорий

Курсовая работа

Энергетические объекты города

Автор работы студент 401 группы,

заочной формы получения образования

Бритова Ольга Васильевна

Научный руководитель

Н.Л. Борисова

Минск, 2015

Оглавление

Введение

Глава 1. Состав и структура энергетических объектов города

Глава 2. Проблемы загрязнения окружающей среды

Глава 3. Нетрадиционные источники энергии

3.1 Энергия ветра

3.2 Геотермальная энергия

3.3 Тепловая энергия океана

3.4 Энергия приливов и отливов

3.5 Энергия морских течений

3.6 Энергия Солнца

3.7 Водородная энергия

3.8 Энергия биомассы

Заключение

Библиографический список

энергетический загрязнение геотермальный

Введение

Энергетика современного города представляет собой сложную многоуровневую систему, предназначенную обеспечить комфортные условия проживания населения, а также нормальное функционирование расположенных на его территории промышленных производств, предприятий и учреждений. Лишь на основе надежно и эффектно работающей системы обеспечения города необходимой энергией и энергетическими ресурсами возможны его жизнь и развитие как единого территориального комплекса.

Энергетические объекты являются одним из главных факторов жизнеобеспечения города. В то же время они оказывают большое негативное воздействие на окружающую природную среду, которая сказывается как в пределах городской территории, так и в окрестностях города.

Электроэнергетика, или энергетическая промышленность охватывает совокупность процессов по производству, транспорту и распределению электрической и тепловой энергии, реализуемых атомными электростанциями (АЭС), тепловыми электростанциями на органическом топливе (ТЭС, ТЭЦ), гидравлическими (ГЭС), гидроаккумулирующими (ГАЭС) электростанциями и котельными, линиями электропередач, электрическими и тепловыми сетями, электростанциями, котельными и утилизационными установками ведомственных организаций и предприятий; распределительными электрическими и тепловыми сетями. Кроме перечисленных мощных источников тепловой и электрической энергии, существует значительное число малых систем теплоэлектрогенерирования, которые рассредоточены по городам, населенным пунктам и различным отраслям промышленности. Это районные отопительные и отопительно-производственные котельные, заводские ТЭС, ТЭЦ и котельные, промышленные печи, бытовые энергоустановки, предназначенные для обслуживания нескольких зданий и сооружений, индивидуальных построек, коттеджей, частных домов и т.д. Все эти энергогенерирующие источники имеют признаки отдельной отрасли со своей продукцией в виде тепловой и электрической энергии, со своими потребностями в топливе, оборудовании, материалах, инвестициях и т.д. И, естественно, со своим, иногда весьма существенным, вкладом в обострение экологической обстановки. По сути, это своеобразный топливно-энергетический комплекс, который принято называть малой энергетикой. К числу объектов нетрадиционной малой энергетики можно отнести также установки и сооружения, использующие солнечную энергию, энергию ветра, геотермальную энергию, биомассу, низкопотенциальную энергию и т.д. Объемы производства малой энергетики сопоставимы с производством энергии на крупных электростанциях.

Глава 1. Состав и структура энергетических объектов города

Энергию в свободной форме невозможно накапливать на длительное время. Поэтому процессы производства и потребления энергии должны совпадать во времени или следовать непосредственно друг за другом и быть связаны между собой звеном передачи. Это оказывает большое влияние на характер производственных, технических и экономических связей энергетики с другими отраслями материального производства, на структуру и формы развития собственно энергетики и систем энергоснабжения.

Энергоснабжение - совокупность последовательных процессов производства, передачи и использования энергии.

Система энергосбережения - совокупность установок и устройств, предназначенных для целей энергосбережения.

Топливо - горючее вещество, которое экономически целесообразно использовать для получения значительного количества теплоты.

Теплота сгорания (теплотворная способность топлива) - количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива.

Условное топливо - топливо, теплота сгорания которого принята равной 29,35 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Основными природными (первичными) топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР), на которых базируется современная энергетика, являются ископаемое топливо (угли, торф, нефть, сланцы, горючие газы), продукты его переработки (моторное топливо, мазут, брикеты), водяные потоки (реки), ядерное горючее (уран, торий). Существуют и другие виды топлива или источники энергии, например, биомасса, энергия солнца, энергия ветра, энергия волн, гидроресурсы, водяные потоки (реки), геотермальная энергия. Это возобновляемые, экологически чистые, так называемые альтернативные источники энергии.

Видом потребляемых ресурсов определяются направления развития энергетики: теплоэнергетика, использующаяся ТЭР и определяющая масштабы топливодобывающей промышленности; гидроэнергетика, развивающаяся на базе гидроэнергетических ресурсов как отрасль по комплексному использованию вводных запасов; атомная энергетика, основанная на преобразовании внутриядерной энергии в другие виды; ветроэнергетика, гелиоэнергетика и др.

Все эти виды ресурсов (первичные энергетические ресурсы) образуют первое звено цепи превращения энергии - энергетической цепочки. На рис.1 представлен путь от источника энергии до ее конечного потребления. Например, сырая нефть, добываемая из земли, является первичным источником энергии, но имеет ограниченное применение. Она может быть преобразована более калорийные вторичные источники энергии, такие как бензин, газ, нефть, мазут, тяжелое дизельное топливо и т.д. Подобная обработка связана с определенными потерями энергии. Доведение вторичной энергии до потребителя также сопряжено с дополнительными потерями энергии на транспортировку и распределение.

Первичные источники энергии
Невозобновляемые источники энергии	Возобновляемые источники энергии
Ископаемые: уголь нефть газ торф	Реакция деления и синтеза: урана тория	энергия солнца энергия ветра	геотермальные приливы - отливы гидроресурсы

Вторичная энергия
топлива
Твердые: древесина уголь биомасса	Газообразные: природный газ икусств. газ водород	Жидкие: бензин газойль
Электроэнергия
Тепло. Районное отопление. Потери тепла

На заключительном этапе энергоноситель преобразуется для получения полезной энергии и подачи ее в пункт потребления. Например, в процессе сжигания мазута в топке отопительной котельной получаем теплоносители (водяной пар, горячую воду), подаваемые на отопление и горячие водоснабжения городских объектов.

Основными видами продукции энергетического производства являются электрическая и тепловая энергия, в форме которых происходит потребление энергетических ресурсов на конечной стадии их использования. Устройства, в которых энергия природных энергетических ресурсов преобразуется в другие виды энергии, называются энергогенерирующими (или энергогенераторами), а использующие преобразованные виды энергии - энергоприемниками (потребителями или абонентами).

Таким образом, исходя из задач энергоснабжения и цепи превращения энергии, любая система энергоснабжения базируется на определенных энергетических ресурсах и включает в себя три главных элемента: источник энергии (энергогенератор), сети (распределительные и транспортные) и энергоприемник (потребитель, абонент).

Структура передаточных звеньев в системе определяется уровнем концентрации и централизации энергоснабжения.

Концентрация - процесс сосредоточения производства энергии на крупных энергетических предприятиях, т.е. увеличения мощности и производительности энергетических установок и оборудования.

Централизация - объединение потребителей энергии едиными для них энергетическими сетями и источниками энергии, определяемое, в первую очередь, неразрывностью во времени процессов производства и потребления энергии.

Основной формой энергоснабжения в Беларуси являются централизованные системы. Объединяя энергогенерирующие установки, трансформирующие и распределяющие устройства и энергоприемники, они характеризуются общностью принципов формирования и режима работы всех звеньев, взаимозависимостью процессов производства, распределения и использования энергии.

Структуру энергоснабжения городов формируют потребители энергии и энергопотребляющие процессы. К потребителям энергии относят жилые здания, предприятия и учреждения коммунально-бытового обслуживания и хозяйства, предприятия общественного питания, связи, учреждения просвещения, здравоохранения, культуры, искусства, спорта, административно-хозяйственные, учебные, научные, общественные и другие организации.

Следующей важной частью энергоснабжения городов является система газоснабжения. Газификация городов получила широкое развитие в 50-е гг. ХХ в. Благодаря газификации обеспечивается централизация топливоснабжения высокотемпературных процессов в быту, общественном и промышленном секторе. Перевод местных тепловых установок всех видов на газообразное топливо способствует оздоровлению воздушного бассейна и улучшению общего экологического и санитарного состояния городов.

Развитие энергетики городов на современном этапе характеризуют следующие основные тенденции:

повышение удельного расхода энергоресурсов на нужды городского хозяйства;

опережающие темпы роста электропотребления по отношению к темпу роста потребления ТЭР в целом;

сокращение доли непосредственного использования топлива за счет повышения роли преобразованных видов энергии в удовлетворении энергетических потребностей городов;

улучшение экологических показателей производства энергии и энергоиспользования;

повышение уровня газификации и увеличения доли природного газа в топливно-энергетическом балансе городов;

рост концентрации потребления энергии в больших городах, выражающийся в повышении энергетической плотности нагрузки на 1 км2 городской территории и удельного расхода ТЭР на одного жителя;

сочетание преимущественно централизованного электроснабжения с децентрализованным теплоснабжением;

дальнейшее развитие газоснабжения городов путем совершенствования структуры и схемы распределительных сетей, улучшения их параметров, модернизации работы городского хозяйства.

Обеспечение надежного и стабильного энергоснабжения народного хозяйства Беларуси электрической и тепловой энергией при значительном уменьшении вредного воздействия на окружающую природную среду осуществляется:

путем технического перевооружения и реконструкции действующих электростанций, электрических и тепловых сетей;

дальнейшим развитием теплофикации с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии на ТЭЦ;

ориентацией на обеспечение энергетическим оборудованием отечественного производства;

созданием необходимых условий для полного и своевременного обеспечения ТЭС топливом местного производства;

расширением объемов использования нетрадиционных и местных возобновляемых источников энергии.

Глава 2. Проблемы загрязнения окружающей среды

Современная цивилизация осуществляет невиданное давление на природу. Загрязнение природной среды промышленными выбросами оказывает вредное действие на людей, животных, растения, почву, здания и сооружения, снижает прозрачность атмосферы, повышает влажность воздуха, увеличивает число дней с туманами, уменьшает видимость, вызывает коррозию металлических изделий. Под загрязнением окружающей среды следует понимать изменение свойств среды (химических, механических, физических, биологических и связанных с ними информационных), происходящие в результате естественных или искусственных процессов и приводящие к ухудшению функций среды по отношению к любому биологическому или технологическому объекту. Используя различные элементы окружающей среды в своей деятельности, человек изменяет её качество. Часто эти изменения выражаются в неблагоприятной форме загрязнения. По масштабам антропогенные изменения становятся сопоставимыми с природными, а в ряде случаев даже превышают их, о чем можно судить из таблицы 2.

Естественные процессы загрязнения имеют в природе антиподы, способные нейтрализовать действие природного загрязнителя, а многие вещества, созданные человеком, являются инородными по отношению к природе. Естественные источники загрязнения обычно удалены от среды обитания человека, а антропогенные расположены в районах концентрации населения.

Увеличение масштабов загрязнения атмосферы требуют быстрых и эффективных способов защиты её от загрязнения, а также способов предупреждения вредного воздействия загрязнителей воздуха. Атмосфера может содержать определённое количество загрязнителя без проявления вредного воздействия, т.к. происходит естественный процесс её очистки. Первым шагом в установлении вредного воздействия, связанного с загрязнением воздуха, является разработка критерия качества воздуха, а также стандартов качества. Стандарты качества определяют уровни качества воздуха и предельно допустимые выбросы (ПДВ), которые необходимо выдерживать для обеспечения безопасности жизни. Контролирующие органы обязаны осуществлять количественный и качественный контроль. Другим подходом к улучшению состояния атмосферы является требование применения передовых технологических процессов, замена вредных материалов безвредными, применение мокрых способов обработки сырья вместо сухих. Как правило, на промышленных предприятиях используются процессы или устройства для газоочистки и пылеулавливания, чтобы уменьшить или предотвратить величину выброса. Процессы газоочистки могут также разрушить или менять его химические или физические свойства так, что он становится менее опасным. В некоторых случаях используют метод рассеивания в атмосфере. Дымовые трубы должны быть достаточно высокими (300 - 350 метров), для обеспечения хорошего разбавления примесей путём обтекания воздуха вокруг зданий в зоне аэродинамических теней. Кроме того, необходимо учитывать температуру выбросов и месторасположение труб. Предприятия строят с подветренной стороны по отношению к жилым районам. На ряде предприятий факельные газы используют для отопления зданий, а их избыток направляется на теплоцентраль. По масштабам загрязнение окружающей среды можно разделить на локальное, региональное и глобальное. Эти три вида загрязнения тесно связаны между собой. Как правило, первичным является локальное загрязнение, которое, если скорость процесса загрязнения больше скорости естественного очищения, переходит в региональное и затем при накоплении количественных изменений - в глобальное изменение качества окружающей среды. Для глобального загрязнения наиболее важным является временный фактор. Существование таких процессов свидетельствует об ограниченности ресурсов атмосферы и о пределах её естественного самовосстановления. Например, использование воздуха в производственных процессах издавна предполагало естественные способности атмосферы к восстановлению первоначальных качеств. В частности, дымовые выбросы в атмосферу, содержащие микрочастицы и токсичные вещества, представляют собой не что иное, как метод разбавления. И даже в наши дни при строительстве высотных и сверхвысотных труб продолжают пользоваться этим древним методом. Однако резкое возрастание объемов выбросов привело к тому, что масштабы загрязнение вплотную приблизились и даже часто перешагивают пределы самовосстановления атмосферы. При современных уровнях загрязнения вредные вещества от источника загрязнения распространяются на десятки и сотни километров. И даже само понятие источник загрязнения несколько меняет смысл. Если в каком-либо промышленном районе можно выделить точечные источники загрязнения, то в масштабе региона целый промышленный район, например крупный город, может рассматриваться как единый источник с системой точечных, линейных (автомагистрали) и групповых источников. Более того, даже весь регион и даже целая страна может выступать в роли единого источника загрязнения. Современное индустриальное производство оказывает значительное воздействие на природу в глобальных масштабах. Хотя большая часть загрязняющих веществ и тепловой энергии вырабатывается на ограниченной площади, главным образом в промышленных районах Северной Америки, Европы и Азии, вследствие особенностей циркуляции атмосферы и перемещений в водной оболочке Земли значительная часть некоторых, относительно долго живущих загрязняющих веществ рассеивается на огромных пространствах и даже по всей Земле, приводя к региональному и глобальному загрязнению. К настоящему времени определились некоторые важные проблемы в области антропогенного глобального загрязнения окружающей природной среды, к числу которых относятся:

1. Возможные изменения климата в связи с поступлением в атмосферу техногенного тепла, углекислого газа и аэрозольных примесей.

2. Возможное нарушение озонового слоя Земли, связанное с поступлением в атмосферу фреонов, окислов азота и некоторых других примесей.

3. Экологические последствия глобального загрязнения природной среды и биосферы радиоактивными веществами, тяжелыми металлами и пестицидами.

4. Общая проблема морской среды атмосферными осадками, речным стоком, наземным и морским транспортом.

5. Дальний атмосферный перенос загрязняющих веществ и проблема кислотных осадков.

Таким образом, масштабы антропогенного воздействия на окружающую среду и уровень вытекающей из этого опасности заставляют искать новые подходы к развитию технологических процессов, которые, являясь не менее эффективными в экономическом смысле, во много раз превосходили бы существующие по степени экологической чистоты. Фактически противоречие между экономикой и экологией означает противоречие между необходимостью гармоничного развития системы природа-человек-производство и недостаточной объективной возможностью, а порой и просто субъективным нежеланием такой гармонии на современном этапе развития производственных сил и производственных отношений.

Причины и факторы.

Вещества, загрязняющие атмосферу, причиняли значительный вред окружающей среде в течении многих десятилетий. По-видимому, с их вредным воздействием придётся считаться и в будущем. Дальнейший рост населения и промышленного производства неизбежно приводит к увеличению опасности загрязнения. Основными загрязняющими веществами, содержание которых в атмосфере регламентируется стандартами, являются: диоксид серы(SO2), оксиды азота(NO и NO2), оксид углерода(CO), газообразные углеводороды(HC), а также сероводород(H2S), сероуглерод(CS2), аммиак(NH3), различные галогеносодержащие газы.

Существуют 3 основных источника образования газообразных загрязнений: сжигание горючих материалов, промышленные производственные процессы и природные источники. В результате сжигания топлива образуется 78% диоксида серы от общего его количества. Углеводороды, опасность появления которых связана с тем, что они являются промежуточными продуктами в процессе образования озона, поступают в атмосферу при сжигании топлива и при переработке нефтепродуктов, кроме того, многие углеводороды выделяются в процессе роста и размножения растений. По оценкам учёных из природных источников во всём мире ежегодно выделяется 117 млн. т. углеводородов, а из антропогенных источников 100 млн. т. Однако углеводороды, присутствующие в атмосфере городов, в основном представляют собой продукты сгорания.

Значительные количества оксидов серы выбрасываются в атмосферу при производстве меди, свинца и цинка из сульфидных руд, а также в процессе очистки нефтепродуктов. Большая часть выбросов SO2 связана со сжиганием топлива в топках для получения необходимого для процесса тепла. Образующиеся газы, содержащие SO2, обычно используются для производства серной кислоты.

Оксиды серы также возникают в процессе производства бумаги и целлюлозной массы в результате сжигания серосодержащих материалов.

Загрязнение атмосферы углеводородами происходит от химических предприятий, нефтеперерабатывающих и металлургических заводов. Углеводороды, выделяются в процессе производства пластмасс, красителей, пищевых добавок, парфюмерных продуктов, смол, пластификаторов, пигментов, пестицидов, а также при переработке каучуков и нефтехимических продуктов.

Среди химических соединений, выбрасываемых в атмосферу, содержится достаточно большое число ядовитых веществ. В настоящее время к опасным загрязняющим веществам относятся пары ртути, винилхлорид и бензол, содержание которых в атмосфере подлежит специальному контролю.

Большое количество ископаемого топлива ежегодно сжигается в топках котельных для получения тепла. Котельные самые крупные потребители самого “грязного” топлива- угля и мазута. Поэтому энергетика по совокупности количества и качества сжигаемого топлива является единственным источником выбросов диоксида серы, а также главным источником дисперсных загрязнителей и оксида азота.

Газообразные загрязнители возникают в процессе горения, а дисперсные - механическая пыль, может выдуваться при разгрузке и транспортировке угля по конвейеру, а также при удалении и складировании топочной золы. Пыление угля происходит в результате ветровой эрозии. Использование природного угля в качестве топлива является более эффективным. Хотя природный газ рассматривается как относительно чистое топливо, при его сгорании также образуются загрязняющие вещества: оксиды азота, оксиды углерода, углеводороды, дым.

Ещё одним немаловажным источником загрязнения атмосферы является сжигание твёрдых городских отходов. Во всех цивилизованных мирах для этих целей существуют мусоросжигательные печи, от конструкции которых зависят составы выбросов.

Дымовые выбросы состоят из относительно безвредных газообразных продуктов сгорания: диоксида углерода, воды, инертного азота. Но их избыток может привести к образованию шлейфа тумана. Для улавливания дымовых выбросов используют различные фильтры и улавливатели.

Загрязнение окружающей среды выбросами двигателей внутреннего сгорания привлекают всё более пристальное внимание в последние годы из-за возросшей угрозы здоровью человека.

Увеличение содержания углекислого газа в атмосфере ведёт к повышению температуры Земли. При увеличении содержания CO2 можно ожидать повышения средней температуры Земли, хотя зависимость между этими параметрами довольно сложная. Было проведено множество модельных исследований по этой проблеме. Судя по их результатам, примерное удвоение содержания CO2 произойдет около 2040 года, в результате чего средняя температура планеты возрастёт на 2 или 3 С. В полярных районах повышение температуры может превысить данное значение в несколько раз. Считается вероятным, что около 2000г. содержание CO2 будет составлять ~400млн., что вызовет повышение температуры на 1С, причём также с более значительным повышением в полярных областях.

Проблема влияния антропогенной деятельности на изменение температуры всё ещё в стадии обсуждения. Конечно, нельзя сводить это воздействие просто к “Подъёму температуры на термостате”, поскольку глобальное распределение температуры связано с перемещением атмосферных масс, например со штормами в зимнее время.

Содержание водяного пара также может измениться при изменении температуры. Таким образом, конечным результатом изменения концентрации CO2 в атмосфере могут стать сложные климатические процессы, связанные с изменением, как температуры, так и процессов образования осадков.

Ранее предполагалось, что окислы азота, выбрасываемые транспортной авиацией, являются основной причиной разрушения озонового слоя. Однако количественные измерения показали, что этот источник ничтожен по сравнению с естественными. Из продуктов человеческой деятельности наиболее опасными для озонового слоя являются фреоны и подобные им вещества. Они искусственного происхождения и широко применяются в холодильных установках, различных аэрозольных установках.

Озон составляет очень небольшую долю в атмосфере - менее одной миллионной доли и по объёму, и по массе. Основная его часть концентрируется в стратосфере - до 90%. Остальные 10% сосредоточены в нижних слоях атмосферы. Здесь озон уже является очень опасным загрязнителем воздуха. Он действует на дыхательные пути, раздражает глаза, нарушает рост растительности и т.д., концентрация его в воздухе, используемом для дыхания, не должна превышать 150-200 мкг/м^3.

Озон образуется в результате электрических разрядов, но гораздо более важными являются фотохимические реакции с участием веществ-посредников (окислы азота или углеводороды). В больших городах в результате промышленных и автомобильных выбросов, которые взаимодействуют друг с другом и с другими газами, образуются сложные химические соединения, возникает фотохимический смог, имеющий высокую концентрацию озона.

В заключении заметим, что пока наши знания недостаточны, чтобы определить основные причины колебания содержания озона в атмосфере и объяснить его механизм. Поэтому любые прогнозы следует воспринимать как гипотетические.

Глава 3. Нетрадиционные источники энергии города

Исчерпание горючих полезных ископаемых и высокий уровень воздействия традиционных источников энергии на окружающую природную среду вызвал во всем мире интерес к поиску эффективных способов использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ).

К основным НВИЭ относятся: энергия солнца, ветра, тепла земли (например, парогидротермическая), биомассы (органические отходы в хозяйственной деятельности человека, энергетические плантации), океанов и морей (например, приливов и отливов, температурного градиента), нетрадиционные виды гидроэнергетики (малых рек, гидроаккумулирующих систем), а также вторичные энергетические ресурсы (тепловые отходы промышленных и сельскохозяйственных предприятий). По некоторым оценкам суммарный потенциальный вклад всех НВИЭ в мировой энергетический баланс уже к 2000 г. составил около 10%. При этом объем использования отдельных видов НВИЭ распределился следующим образом (в млн т. у. т.): солнечная энергия (на горячее водоснабжение и отопление) - 36; геотермальная энергия - 29; энергия ветра - 7; энергия биомассы - 7; другие, виды энергии - 7; всего - 86 млн т. у. т.

Необходимость и возможность развития в Беларуси НВИЭ обусловлены следующими причинами:

дефицитом традиционных для Беларуси ТЭР;

дисбалансом в развитии энергетического комплекса Беларуси, ориентированного, во-первых, на централизованное электро- и теплоснабжение и, во-вторых, преобладающее (свыше 90%) производства энергии на ТЭС при фактическом отсутствии значительных собственных ресурсов минерального топлива;

наличием научно-технической и промышленной базы, пригодной для производства отдельных видов оборудования для нетрадиционной энергетики;

благоприятными климато-метеорологическими условиями для использования отдельных видов НВИЭ.

3.1 Энергия ветра

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов. Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину - генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования. Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость.

В проектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор должен давать не просто электрическую энергию, а только переменный ток с заданным числом циклов в секунду, т. е. со стандартной частотой 50 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

3.2 Геотермальная энергия

Геотермальная энергетика базируется на использовании природной теплоты Земли. Верхняя часть земной коры имеет термический градиент, равный 20-30 С? в расчете на 1 км глубины, и, количество теплоты, содержащейся в земной коре до глубины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6.1026 Дж. Эти ресурсы эквивалентны теплосодержанию 4,6·1016 т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6.109 Дж/т), что более чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресурсов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной слишком рассеяна, чтобы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты. С геологической точки зрения геотермальные энергоресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком. К категории гидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны пара или горячей воды, которые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озера. Образование таких систем связано с наличием источника теплоты - горячей или расплавленной скальной породой, расположенной относительно близко к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность. В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении горячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкости вскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепаратора, может быть подвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительным извлечением из нее минералов.

Другим методом производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двухконтурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовавшийся в результате кипения этой жидкости, используется для привода турбины. Отработавший пар конденсируется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл. Ко второму типу геотермальных ресурсов (горячие системы вулканического происхождения) относятся магма и непроницаемые горячие сухие породы (зоны застывшей породы вокруг магмы и покрывающие ее скальные породы). Получение геотермальной энергии непосредственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Предварительные технические разработки методов использования этих энергетических ресурсов предусматривают устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу. Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы; затем через нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону трещиноватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагревается, извлекается через вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергии одним из рассмотренных ранее способов.

Геотермальные системы третьего типа существуют в тех районах, где в зоне с высокими значениями теплового потока располагается глубокозалегающий осадочный бассейн. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из скважин, может достигать 100 С.

3.3 Тепловая энергия океана

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. км2) занимают моря и океаны - акватория Тихого океана составляет 180 млн. км2. Атлантического - 93 млн. км2, Индийского - 75 млн. км2. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор оказалась малоперспективной.

Последние десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС - начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т. e. преобразование тепловой энергии океана - речь идет о преобразовании в электрическую энергию). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная -53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее - на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии. Три насоса потребовались из следующего расчета: один - для подачи теплой виды из океана, второй - для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий - для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочей жидкости применяется аммиак.

Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случае необходимости ого быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба-судно. Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной проблемой.

Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа.

Новые станции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это - одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии.

3.4 Энергия приливов и отливов

Приливная энергетика использует для производства электроэнергии энергию прилива и отлива Мирового океана. Два раза в сутки уровень океана то поднимается, то опускается. Это происходит под действием гравитационных сил Солнца и Луны, которые притягивают к себе массы океанской воды. У берега моря разности уровней воды во время прилива и отлива могут достигать более 10м. Если в заливе на берегу моря в устье реки сделать плотину, то в таком водохранилище во время прилива можно создать запас воды, которая при отливе будет спускаться в море и вращать гидротурбины. Основными недостатками такого способа производства электроэнергии являются неравномерность выработки электроэнергии во времени и необходимость сооружения дорогостоящих плотин и резервуаров для воды.

Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер. Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны.

3.5 Энергия морских течений

Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду (подобно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу).

Важнейшее и самое известное морское течение - Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км2.

В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическому управлению.

Один из проектов использования морских волн основан на принципе колеблющегося водяного столба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетает его в лопатки турбин. Главную трудность здесь составляет согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах, так чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов в широком диапазоне условий на поверхности моря.

3.6 Энергия Солнца

Гелиоэнергетика (энергия Солнца). Во второй половине XX века. в связи с бурным развитием космонавтики начали разрабатывать проблему гелиоэнергетики -- преобразование солнечного излучения в электрическую энергию. В настоящее время получение электроэнергии от гелиоустановок осуществляется с помощью солнечных батарей. Основу таких батарей составляют фотоэлементы -- кристаллы кремния, покрытые тончайшим, прозрачным для света слоем металла. Поток фотонов -- частиц света, проходя сквозь слой металла, выбивает электроны из кристалла. Электроны при этом начинают концентрироваться в слое металла, поэтому между слоем металла и кристаллом возникает разность потенциалов. Если тысячи таких фотоэлементов соединить параллельно, то получается солнечная батарея, способная питать электроэнергией электронную аппаратуру на космических кораблях, спутниках. В южных районах, где много солнечных дней в году, размещение на крышах домов солнечных батарей может частично обеспечить потребность в необходимой электроэнергии. Такие батареи используют и для питания электронных часов, калькуляторов и других устройств. Основу современной электроэнергетики, как было уже отмечено, составляют теплоэлектростанции и гидроэлектростанции, в которых очень велики потери при преобразовании тепловой энергии (от сжигания топлива на ТЭС) или механической энергии (на ГЭС) в электрическую. Техническим устройством, в котором таких потерь практически нет, является магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор). Его действие основано на явлении электромагнитной индукции: в проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает электрический ток. В МГД-генераторе происходит преобразование энергии, движущейся в магнитном поле плазмы, -- раскаленного до очень высокой температуры газа -- непосредственно в электроэнергию. Электрический ток, образованный свободными электронами и положительными ионами, возникает непосредственно в плазме и отдается во внешнюю цепь. Основная техническая проблема при создании МГД-генераторов -- получение высоких температур (несколько тысяч градусов), необходимых для образования плазмы -- газообразной смеси из свободных электронов, положительных ионов и нейтральных атомов.

3.7 Водородная энергетика

Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей и т. п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина - только 47 Дж.

Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ. Трубопроводный транспорт топлива - самый дешевый способ дальней передачи энергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушает ландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушные электрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода по трубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле, чем передача того же количества энергии в форме переменного тока по подземному кабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода дешевле, чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока.

Водород - синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа либо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляют около 20 млн. т водорода в год. Половина этого количества расходуется на производство аммиака и удобрений, а остальное - на удаление серы из газообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.

3.8 Энергия биомассы

Понятие «биомасса» относят к веществам растительного или животного происхождения, а также отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Есть два основных направления получения топлива из биомассы: с помощью термохимических процессов или путем биотехнологической переработки. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х годов в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение получило производство спирта. Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы - производство из неё биогаза, состоящего на 50-80% из метана и на 20-50% из углекислоты. Его теплотворная способность - 5-6 тыс. ккал/м3.

Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10-12 куб. м метана. А, например, переработка 100 млн. тонн такого отхода полеводства, как солома злаковых культур, может дать около 20 млрд. куб. м метана. В хлопкосеющих районах ежегодно остается 8-9 млн. тонн стеблей хлопчатника, из которых можно получить до 2 млрд. куб. м метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы культурных растений, трав и др.

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина.

Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и экологическую.

Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров переработки сельскохозяйственного сырья.

Заключение

Учитывая результаты существующих прогнозов по истощению запасов нефти, природного газа и других традиционных энергоресурсов, а также сокращение потребления угля (которого, по расчетам, должно хватить на 300 лет) из-за вредных выбросов в атмосферу, а также употребления ядерного топлива, которого при условии интенсивного развития реакторов-размножителей хватит не менее чем на 1000 лет можно считать, что на данном этапе развития науки и техники тепловые, атомные и гидроэлектрические источники будут еще долгое время преобладать над остальными источниками электроэнергии. Уже началось удорожание нефти, поэтому тепловые электростанции на этом топливе будут вытеснены станциями на угле.

Неоспорима роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы - прямо или косвенно - больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.

Потребление энергии - важный показатель жизненного уровня. В те времена, когда человек добывал пищу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овладения огнем эта величина возросла до 16 МДж: в примитивном сельскохозяйственном обществе она составляла 50 МДж, а в более развитом - 100 МДж.

Ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю.

Запасы урана, если, скажем, сравнивать их с запасами угля, вроде бы не столь уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь.

А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю.

Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идеи, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со Всем, и Все тянется к энергетике, зависит от нее.

Рост производства электроэнергии - непременное условие развития человека. Поэтому абсолютное количество производимой человеком энергии будет возрастать из года в год.

Доля угля в структуре энергетического сырья возрастает, а проводимые мероприятия по уменьшению выбросов ТЭС, работающих на угле, не дают ощутимых результатов даже в высокоразвитых странах.

В конечном счете, общее оздоровление воздушного бассейна зависит от того, как человечество решит вопрос о “экологизации” производства и использования энергии.

Очевидно, в ближайшем будущем не будет найдено экологически чистых источников энергии и человечеству придётся пользоваться традиционными видами сырья. Поэтому одним из вариантов решения проблемы является в производстве энергии доли т.н. возобновимых ресурсов и ядерного сырья.

На долю возобновимых видов приходится около 21% мирового потребления. Из них 15% -на долю энергии, получаемой из биомассы и 6% на долю гидроэнергии.

В отдельных странах используется энергия солнца, ветра, гидротермальная энергия, энергия приливов и отливов, но доля их в мировом масштабе пока ничтожна, хотя экологичность очевидна.

Библиографический список

1. Экология урбанизированных территорий: пособие / М.Г. Ясовеев, Н.Л. Стреха, Д.А. Пацыкайлик; под ред. М.Г. Ясовеева. - Минск: БГПУ, 2007.-254с.

2. Промышленная экология: учеб. пособие / М.Г. Ясовеев, Н.С. Шевцова, О.В. Шершнев и др.; под ред. М.Г. Ясовеева. - Минск: БГПУ, 2010. - 308 с.

Размещено на Allbest.ru

...