Напишем:


✔ Реферат от 200 руб., от 4 часов
✔ Контрольную от 200 руб., от 4 часов
✔ Курсовую от 500 руб., от 1 дня
✔ Решим задачу от 20 руб., от 4 часов
✔ Дипломную работу от 3000 руб., от 3-х дней
✔ Другие виды работ по договоренности.

Узнать стоимость!

Не интересно!

 

 

 

Энергетические ресурсы


Рассматривая энергетику как область практической деятельности человека, необходимо постоянно обращаться к экологическим сторонам энергетических проблем. Сложившаяся в мире ситуация такова, что проблемы энергетики тесно переплелись с проблемами экологического состояния биосферы и неотделимы друг от друга. Можно сказать, что отношения человечества и биосферы базируются на основе все более усложняющихся процессов извлечения, преобразования, передачи и использования энергии.

Взаимосвязь экологических и химических аспектов обсуждаемого вопроса может иллюстрировать следующая схема:

Истощение в ближайшей перспективе ресурсов органического топлива увеличивает актуальность поиска технических решений по повышению безопасности использования энергии атома, снижению затрат при использовании энергии Солнца, ветра и других источников, называемых альтернативными, возобновляемыми.

Рассмотрим возможности атомной энергетики. Существуют три способа извлечения энергии (Е), заключенной в атоме.

1. Цепное деление ядер. В этом процессе используется изотоп урана 235U, которого всего лишь 0,7% в общей массе урана Земли, оцениваемой, кстати, в 1,31014 т металла. Таким образом, запасы этого активного изотопа относительно невелики и при интенсивном использовании довольно быстро истощатся.

II.Воспроизводство ядерного топлива (реакция размножения). На долю изотопа 238U приходится 99,3% всего урана планеты. Следовательно, его выгоднее использовать, чем изотоп 235U, но для этого его первоначально необходимо превратить в активный материал, пригодный для цепных процессов (изотоп 238U неспособен к делению при захвате нейтронов). В этом случае используют начальное количество 235U для возбуждения изотопа 238U

Ядро атомов 238U при воздействии на них быстрых нейтронов (с энергией 25эВ) превращаются в изотоп 239U, распадающийся затем до изотопа ядра которого делятся при захвате медленных нейтронов:

                        

Реакторы-размножители, где осуществлялся бы этот процесс, более перспективны и эффективны, чем реакторы, использующие реакции цепного деления. Однако до сих пор еще не разработана технологическая схема этого процесса (в котором, кстати, урана хватило бы на несколько столетий).

И для I и для II способов существенный отрицательный момент - проблема захоронения радиоактивных отходов (предлагали даже отправлять их на орбиту вокруг Солнца!). Другое серьезное возражение против строительства ядерных реакторов - возможность экологических катастроф при их эксплуатации.

III.Термоядерный синтез. В основе этого способа лежит реакция, принципиально отличающаяся от рассмотренных выше. Для ее проведения нужен дейтерий, а его запасов в океанах хватит на миллионы лет! Кроме того, при этом способе извлечения энергии нет радиоактивных отходов. Однако идея маловероятна для осуществления, т.к. процесс синтеза (рис.7.4) не удается стабилизировать, а для затравки процесса необходимы громадные температуры ( 108 С). Здесь пока не предложено какой-либо приемлемой технологии.

Таким образом, успехи в области ядерной энергетики не так велики, как хотелось бы, и существуют серьезные возражения против атомных источников энергии (прежде всего с экологических позиций).

Масштабы использования энергии Солнца продолжают увеличиваться, и в отличие от ядерной стоимость энергии, извлекаемой на солнечных установках, постоянно снижается.

Солнце поставляет на нашу планету 1,71017 Вт энергии электромагнитного излучения. Даже 1% площади планеты,покрытой коллекторами излучения с эффективностью 10% , может собрать 1011кВт энергии (в то время как всего в мире используется около 1010кВт). Однако здесь существуют трудности преобразования энергии Солнца в другую, более удобную для человека, форму энергии. Какую? В настоящее время доступны следующие методы преобразования энергии Солнца.

1.Фотогальванические элементы (ФГЭ). Они превращают солнечный свет в электричество. Себестоимость этой электроэнергии примерно 30центов США за 1 кВтч. Такие солнечные батареи могут служить 30 лет в качестве источников питания калькуляторов, часов и искусственных спутников.

Механизм их дейтсвия основан на том, что поток фотонов от Солнца, попадая на поверхность двухслойного полупроводника (например, из кремния), возбуждают электроны. Последние мигрируют к поверхности раздела между кремниевыми пластинками (р- и n-типа)  генерируют там разность потенциалов (рис. 7.5).

В этом случае используются полупроводниковые свойства кремния (или германия). Полупроводник - вещество, имеющее элктрическое сопротивление, промежуточное между значениями, свойственными электрическим изоляторам (диэлектрикам) и проводникам

                     Полупроводниковые свойства кремния

Вещество

Электросопротивление,

Ом/см3

Характеристика

по проводимости

Серебро

510-5

Проводник

Кремний

510-4

Полупроводник

Слюда

1012

Диэлектрик

Полупроводники n-типа (электронные) имеют в кристаллической решетке избыточные электроны, а следовательно, обладают эффективным отрицательным зарядом.

Полупроводники р-типа (дырочные) имеют в решетке электронные дырки, т.е. эффективные положительные заряды.

Электроны, текущие через кремниевую пластинку р-типа, останавливаются на стыке (переходе) между двумя пластинками. Этот стык называется р - n-переходами. Электроны, идущие в обратном направлении, проходят через переход, чтобы заполнитьдырки в слое р-типа (рис. 7.6)

При достаточно большой величине площади фотогальванических кремниевых пластинок можно получать силу тока значительной величины.

Одна из сложностей в производстве ФГЭ - получение беспримесных высокочистых полупроводников, например, из кремния с высокой степенью монокристалличности. Для ФГЭ характерны экологическая чистота и неистощаемость источника (в отличие от ядерного топлива).

2.Солнечные термоустановки (зеркальные гелиоконцентраторы). Эти системы преобразуют солнечную энергию (Е) в тепловую. Они просты в устройстве и достаточно распространены. Себестоимость энергии, полученной этим методом, равна 1 - 8центам США за 1 кВтчас (для сравнения себестоимость Е, полученной с установок на угле, равна 3центам за 1 кВтч).

Система следящих за Солнцем зеркал фокусирует его лучи и собирает их энергию для того, чтобы довести до кипения рабочую жидкость (Н2О или лучше жидкий NН3). Кипятильник же работает как обычная тепловая машина и может вырабатывать электричество, отдавая теплоту электрогенератору (рис. 7.7).

Создание легких зеркал и применение жидкостей с повышенной теплопроводностью (например, расплавленных солей) могут существенно улучшить качество солнечных термоустановок.

3.ФГЭ на искусственных спутниках Земли. В космосе нет поглощения, характерного для земной атмосферы. Поэтому на 1м2 поверхности искусственного спутника солнечной Е попадает гораздо больше, чем на 1м2 Земли. Нет там и облачности, а самое главное - нет ночи!

Поэтому ФГЭ предполагают размещать на специальных платформах, вращающихся вокруг Земли по спутниковым орбитам.

На Землю собранная Е будет поступать в виде потока излучения с преобразованной частотой - микроволнового луча

Излучения такого диапазона проходят через атмосферу с малыми потерями в результате поглощения. На Земле эти лучи примут и преобразуют в электроэнергию, а та пойдет на получение водорода. Последний можно хранить, транспортировать и легко по мере надобности использовать как топливо (т.е. вновь получать Е).

Проект этот кажется фантастичным, однако усовершенствование космической техники рано или поздно приведет к его реализации как перспективного.

4.Генератор океан - Солнце. Работа этого генератора, пока еще тоже находящегося в стадии модели основана на использовании для выработки энергии разности температур в океане. Поверхностные воды в тропиках обычно нагреты Солнцем до 20 - 25С, на глубине же 1 - 2км температура падает до 5С. Остается только создать конструкцию с непрерывным рабочим циклом, типа тепловой машины, где, например, аммиак мог бы поочередно конденсироваться в нижней части агрегата (глубоководной) и кипеть в верхней. Такой коллектор, принцип работы которого основан на температурном градиенте, должен быть более эффективен, чем ФГЭ или гелиоконденсаторы, поскольку он добывает энергию, накопленную океаном за время, предшествующее облучению (как бы запасенную ранее). ФГЭ и гелиоконцентраторы собирают в лучшем случае всю энергию Солнца, поступающую к ним в данный момент времени. Если в облачность или ночью ФГЭ и гелиоконцентратор вынуждены отдыхать, то генератор океан - Солнце будет трудиться, т.к. градиент температур сохраняется!

Кроме энергии Солнца можно преобразовывать энергию ветра и сил гравитации. Все это также экологически чистые источники.

Энергию можно получать из растительной биомассы. Об этом люди знали давно, с тех пор, как стали разжигать костры. Затем научились превращать тепло в механическую или электрическую энергию (Е). Возможные способы извлечения Е из биомассы показаны на схеме:

Ниже кратко рассмотрены особенности некоторых указанных способов производства Е при помощи растений и микроорганизмов.

1. Биометаногенез (получение биогаза). Процесс биометаногенеза осуществляют бактерии в три стадии. На первой стадии происходят растворение и гидролиз сложных органических соединений до пропионовой, масляной и молочной кислот:

Вторая стадия - ацидогенез под действием уксуснокислых бактерий:

                      

                          Третья стадия - метаногенез:

                      

Биогаз состоит в основном из метана (65%) и углекислого газа (30%).

В строго анаэробных условиях метан можно получить из ароматических соединений. Этот процесс используют, кстати, при утилизации отходов и детоксикации сточных вод. В природе таким путем может идти биотрансформация некоторых биоцидов:

            

Используя сельскохозяйственные отходы и экскременты животных, а также, что очень важно с экологической точки зрения, канализационные и промышленные стоки, можно получать значительные количества топлива в виде СН4 в специальных реакторах-дайджестерах. В некоторых странах (Индия, Китай, Филиппины) разработаны национальные энергетические программы, нацеленные на производство биогаза.

2.Производство этанола. Этанол можно использовать в качестве альтернативного топлива в автомобильных двигателях внутреннего сгорания либо в безводном виде, либо в смеси с бензином (хорошо зарекомендовала себя смесь из 6 - 9 частей бензина и 1 части С2Н5ОН, называемая газохолом). Может применяться для этих целей также и гидратированный этанол.

Процесс производства этилового спирта с помощью микроорганизмов (спиртовое брожение) становится все более предпочтительным перед химическим синтезом. Поставщиками сырья - запасных сахаридов (крахмала, инулина, сахарозы) - служат некоторые сельскохозяйственные культуры (свекла, сорго, тростник, маниок, кукуруза и т.д.). Ферментационный процесс при участии бактерий или дрожжей включает в себя, в частности, следующие стадии:

Наряду с этанолом (используя варианты спиртового и ацетонобутанолового брожений) можно получать метанол СН3ОН и н-бутанол С4Н9ОН. Так, во Франции к середине 1980-хгг. 10% чистого бензина, предназначенного для автотранспорта, планировали заменить метанолом и ацетонобутаноловой смесью. Последние получали после гидролиза и брожения углеводов. Исходным сырьем служил инулин - запасной полисахарид, содержащийся в клубнях топинамбура (земляной груши).

Внедряя подобные способы извлечения Е из биомассы, некоторые страны (например Бразилия) экономят нефть и, кроме того, решают в значительной степени проблему экологического загрязнения, обусловленного бензиновыми выхлопами.

3.Производство углеводородов с помощью микроорганизмов. Вконце 1970-х гг. было обнаружено, что одноклеточная водоросль Botryococcus braunif содержит в составе своей клетки 15 - 75% (в сухой массе) высших линейных алкенов с числом атомов углерода от 25 до 38. Эти углеводороды получили название ботриококкцены.

При разработке технологий (а они уже есть, в частности во Франции и США) ботриококкцены, продуцируемые этой водорослью, можно выгодно использовать в качестве источника энергии и сырья для нефтехимической промышленности (т.е. как альтернативный нефти материал).

Интересно отметить также способность некоторых водорослей (например, сине-зеленых) продуцировать водород при облучении видимым светом. Водороду же сулят роль экологически чистого топлива будущего.

В последнее время довольно часто обращаются к вопросам водородной энергетики.

Сжигание водорода сопровождается образованием только паров воды, хотя и они могут способствовать формированию парникового эффекта. Но в отличие от горения углерода в данном случае отсутствует опасность появления СО.

В форме водорода, самого легкого элемента, экономичнее всего осуществлять передачу энергии на большие расстояния. наконец, водород - самый распространенный элемент во Вселенной. На Земле запасы его практически неисчерпаемы.

Водород может применяться как топливо для самолетов и части наземного транспорта. В автомобилях водород можно использовать непосредственно для работы двигателей внутреннего сгорания либо через посредство электрических топливных элементов. Теплотворная способность водорода (в расчете на единицу массы) выше, чем у других сопоставимых видов топлива:

              

В металлургии при использовании Н2 в доменных печах выделялся бы чистый водяной пар, а при переработке руд - элементарная сера и вода. Даже если водород будет сгорать не полностью, то и это не будет приводить к загрязнению атмосферы - этот газ нетоксичен и легко диффундирует в верхние атмосферные слои.

Из водорода можно получать метанол и аммиак, а также формальдегид:

                     

Метанол СН3ОН - удобное топливо для наземного транспорта, а формальдегид - исходное сырье для производства разнообразных органических соединений.

Как получить водород в больших количествах?

1. В начальный период становления водородной энергетики получение Н2 сводилось к следующему процессу (синтез Боша):

                                 С (кокс) + Н2О СО + Н2.

Из состава водяного газа (СО + Н2) монооксид углерода удаляется доокислением:

                                    2СО + О2 2СО2.

Однако уголь, как уже указывалось, - ресурс ограниченный, поэтому перспективнее рассматривать в качестве источника Н2 воду.

2.      Термораспад воды - нерентабельный процесс (выход Н2 равен примерно 1% при температуре около 2000К).

3.      Химический процесс с каким-либо веществом А через стадию образования оксида:

                                       А + Н2О АО + Н2;

                                           2АО 2А +О2.

Например,

а)      получение из природного газа:

                       

б)      каталитическое окисление метана кислородом:

                           2СН4 + О2 2СО +4Н2;

в)      получение из воды (простейший косвенный способ):

Как видно из приведенных уравнений, химики прилагают дополнительные усилия к тому, чтобы сделать процесс циклическим и максимально безотходным (уравнения 3 и 4).

4.      Крекинг и риформинг углеводородов. Водород в этом случае получается как побочный продукт при переработке нефти.

5.      Электрохимический метод. а) Электролиз воды. Электроды помещают в подщелоченную или подкисленную воду, причем водород собирают на катоде. б) Электролиз рассола. Водород можно выделять как побочный продукт при электролизе водного раствора соли NaCl в процессе производства хлора и гидроксида натрия.

Несмотря на высокую чистоту электрохимического метода, есть у электролиза и минусы - на него необходимо тратить электроэнергию! Таким образом, остается нерешенным до конца вопрос о наиболее подходящем источнике Е для получения Н2 (ядерная установка или солнечные преобразователи?).

6.      Электролиз водяного пара. На первый взгляд это кажется невероятным - разложить пары воды на Н2 и О2 при 900 - 1000С. Однако опыты по созданию высокотемпературных топливных элементов (в качестве электролизера) были успешно осуществлены. Электролитом в таких элементах служит тонкая мембрана из диоксида циркония ZrO2. Водяной пар на поверхности ZrO2 диссоциирует под действием электрического тока на 2Н+ и О2-. Ток внешнего источника питания нейтрализует протоны, которые дают Н2 на одной стороне мембраны. Ионы О2- диффундируют через мембрану и отдают свои электроны проводнику на другой стороне пленки из ZrO2 - в результате чего выделяется О2. Сложности при осуществлении такого способа заключаются в создании качественных прочных и в то же время очень тонких пленок из диоксида циркония.

Подводя итог сказанному о развитии энергетики, подчеркнем следующее.

Современный уровень потребления энергии настолько высок, что проблема ограниченности сырья для ее производства приобретает первостепенное значение. За последние 30лет человечество использовало столько же энергии и минерального сырья, сколько за всю предыдущую историю.

Причем, потребление энергии растет быстрее, чем численность населения и за каждое десятилетие примерно удваивается (в то время как увеличение добычи топлив возрастает ежегодно лишь на 6 - 7%).

Россия - единственная промышленно развитая страна, полностью обеспечивающая свои потребности за счет собственных природных ресурсов.

Она располагает 23% мировых доказанных запасов угля, 36% природного газа и 6 - 7% нефти. Обеспеченность РФ запасами топлива по последним международным оценкам составляет: нефти - 20лет (среднемировая - 45лет); газа - 72года (среднемировая - 64года); угля - 500лет (среднемировая- 200лет).

По данным Российской Академии наук (РАН), учитывающих климатические условия России, для полного удовлетворения потребности каждого россиянина в тепловой и электрической энергии, необходимо иметь 19,8тонн условного топлива (т.у.т.) или 2700 - 2800т.у.т/год. (Условное топливо - понятие, используемое для сопоставления различных видов органического топлива и его суммарного учета. В качестве единицы условного топлива в России применяют 1кг топлива, имеющего низшую теплоту сгорания 29,3МДж (7000 ккал).

Соотношение между условным и натуральным топливом выражается

 формулой:              , где

Ву - масса эквивалентного количества условного топлива, кг;

Вн - масса натурального топлива, кг (твердое, жидкое) или м3 (газообразное);

 - низшая теплота сгорания данного натурального топлива, МДж/кг или МДж/м3;

 - калорийный эквивалент. Для нефти Э принимают равным 1,4; природного газа - 1,2; кокса - 0,93; торфа - 0,4.

Однако, по самым оптимистическим прогнозам реальным представляется возможность добыть в стране в 2010г. 1820млн. т.у.т.

Конечно, здесь нужно иметь в виду то, что России необходимо сделать многое по снижению энергоемкости при получении тепла и промышленной продукции. Это видно из данных, приведенных в табл 7.3. На основании изучения процессов энергопотребления в мире за период с 1860г. по 1976г. группой экспертов из разных стран были определены временные границы современной промышленной эпохи: интервал с 1789г. по 2206 г. и построена технико-энергетическая модель.

Удельные расходы топлива на производство некоторых

                 видов промышленной продукции

Продукция

Единица измерения

Удельные расходы топлива

Россия

Среднемировые

Теплоэнергия

кг у.т. / Гкал

173,3

164,0

Доменный чугун

кг у.т. / т

581,9

466,0

Прокат черных металлов

кг у.т. / т

135,8

41,0

Поковки и штамповки

кг у.т. / т

271,2

50

Термообработка металла

кг у.т. / т

109,4

70

Клинкер

кг у.т. / т

216,0

106,0

Глиняный кирпич

кг у.т. / 1000 шт.

245,0

170,0

Листовое стекло

кг у.т. / т

474,5

165,0

Системный анализ показал наличие в ней 3-х отчетливо выраженных периодов по 139лет, соответствующих трем промышленными революциям - на основе применения энергии угля, затем нефти и, наконец, атома. Человечество в целом находится во 2-ой стадии этой эпохи, хотя большинство развитых стран вступает в 3-й ее период.

Доля угля в общемировом ТЭБ достигла максимума 64% в 1920г., доля нефти и газа  - такого же уровня в середине 90-х годов ХХ столетия а доля ядерной энергии достигнет его, видимо, после 2050 г.

В будущем столетии уже не приходится рассчитывать на существенное увеличение поставок нефти, которая была базой экономического роста несколько десятилетий. Настоятельной необходимостью стало обеспечение экономического роста быстрым развитием новой энергетической базы. Однако, производство ядерной энергии по ряду серьезных причин не поспевает за экономическим ростом (к середине 90-х годов доля этого энергоносителя в общем потреблении первичных энергоносителей возросла лишь до 6,5%). Решающее значение приобретает поэтому мост к источникам энергии и системам энергообеспечения следующего 21века. Таким мостом в ближайшее десятилетие может быть реально только уголь.

Уголь как энергетическое сырье является наиболее экологически опасным из всех ископаемых видов топлива из-за повышенной эмиссии вредных веществ при его сжигании. Однако, известно, что можно значительно снизить ущерб природной среде от угольной энергетики, если использовать облагороженный или чистый уголь, синтетические газообразные или жидкие виды топлив, получаемые путем химической переработки угля.

Поэтому важнейшее место в энергетической политике развитых стран отводится решению проблем, связанных с предупреждением или очисткой вредных выбросов энергетических объектов, использующих как твердое, так и жидкое топливо, в соответствии с принципами концепции устойчивого развития, принятой в 1992 г. Конференцией ООН по охране окружающей среды и развитию.

Предыдущие материалы: Следующие материалы: