Проблеми пошуку і використання нових екологічно чистих джерел енергії. 
Розвиток енергетики в Україні

РЕФЕРАТ на тему:

" Проблеми пошуку і використання нових екологічно чистих джерел енергії. Розвиток енергетики в Україні" .

Існують традиційні методи вироблення електроенергії з органічного і ядерного палива (ву­гілля, нафти, природного газу, урану). І, нарешті, використання відновлюваних джерел енергії (гідрав­лічної, сонячної, вітрової, припливної, геотермаль­ної та інших). Якому з них віддати перевагу?

ГІДРОЕЛЕКТРОСТАНЦІЯ (ГЕС) Енергетика — галузь господарства, яка виробляє енергію, має важливе значення для розвитку еконо­міки, науки й культури нашої країни. Зараз значну питому вагу з вироблення електроенергії мають механічні джерела енергії - ГЕС.

Вода була першим джерелом енергії, і, мабуть, першою машиною, в якій людина використала енер­гію води, була примітивна водяна турбіна.

У сучасній ГЕС маса води з великою швидкістю спрямовується на лопасті турбін. Вода через захисну сітку і регульований затвор тече стальним трубо­проводом до турбіни, над якою встановлено генера­тор. Механічна енергія води за допомогою турбіни передається генераторам, в яких перетворюється в електричну. Після виконання роботи (обертання турбіни) вода витікає в річку тунелем, що поступово розширюється, втрачаючи при цьому свою швидкість.

Затрати на будівництво ГЕС великі, але вони ком­пенсуються тим, що не доводиться платити (при­наймні, в явній формі) за джерело енергії - воду. Потужність сучасних ГЕС перевищує 100 МВт, а ККД становить 95%. Така потужність досягається за до­сить малих швидкостей обертання ротора, тому су­часні гідротурбіни вражають своїми розмірами. Турбіна — енергетичне дуже вигідна машина, оскільки вода легко і просто змінює поступальний рух на обер­тальний.

Будівництво греблі на річці дає змогу створити значну різницю рівнів води нижче і вище від ГЕС уздовж течії річки, тобто між верхнім і нижнім б'єфами. Інколи ця різниця рівнів сягає понад 100 м. Вода верхнього б'єфа падає із значної висоти на ло-пасті гідротурбіни, обертає її, а разом з нею обертає генератор електроенергії, який жорстко з'єднаний з турбіною. Потужність будь-якої ГЕС залежить від різниці рівнів води верхнього і нижнього б'єфів та від кількості кубометрів водищо проходить за 1 с через лопасті турбін станції: чим вона більша, тим потужніша ГЕС.

Одним із принципів гідроелектробудування є мак­симальне використання гідроенергії річок. Згідно з цим принципом, на річках будуються не окремі ГЕС, а каскади таких станцій і створюються водосховища для регулювання річного, а іноді й багаторічного стоку вод. Стік більшості річок дуже нерівномірний протягом року. Так, у Дніпрі в період весняного паводку, тобто приблизно протягом одного місяця, у море стікала половина всіх водних запасів річки, у літні місяці рівень води різко знижувався. Внаслі­док цього ГЕС влітку працювала з половинною по­тужністю. Створення великого водосховища біля ГЕС різко змінило становище. Тепер весняні води Дніпра вже не стікають без усілякої користі в море, а збері­гаються у водосховищі, а потім планомірно викори­стовуються протягом року гідростанціями, розташо­ваними нижче ГЕС. Це дало змогу не лише збільши­ти річний виробіток електроенергії, а й знімати пікові навантаження в енергосистемі району розмі­щення ГЕС. Сучасні ГЕС будують з таким розрахун­ком, щоб за їх допомогою комплексно розв’язува­лися задачі вироблення електроенергії, зрошення земель, водопостачання промислових підприємств тощо. Зазначимо, що ГЕС мають принаймні дві пе­реваги перед ТЕС і АЕС:

1) відсутність під час роботи витрат на паливо, внаслідок чого їх електроенергія в 4 — 8 разів дешев­ша від електроенергії, виробленої на ТЕС і АЕС;

2) гідроенергія річок, що використовується на ГЕС, відтворюється природно, а викопні енергоре­сурси не відтворюються.

Гідроенергетичні технології мають багато пере­ваг, але є й значні недоліки. Приміром, дощові се­зони, низькі водні ресурси під час засухи можуть сер­йозно впливати на кількість виробленої енергії. Це може стати значною проблемою там, де гідроенер­гія складає значну частину в енергетичному комп­лексі країнибудівництво гребель є причиною бага­тьох проблем: переселення мешканців, пересихан­ня природних русел річок, замулення водосховищ, водних суперечок між сусідніми країнами, значної вартості цих проектів. Будівництво ГЕС на рівнин­них річках призводить до затоплення великих тери­торій. Значна частина площі водойм, що утворю­ються, — мілководдя. У літній час за рахунок со­нячної радіації в них активно розвивається водяна рослинність, відбувається так зване «цвітіння» води.

Зміна рівня води, яка подекуди доходить до повного висушування, призводить до загибелі рослинності. Греблі перешкоджають міграції риб. Багатокаскадні ГЕС уже зараз перетворили річки на низку озер, де виникають болота. У цих річках гине риба, а навко­ло них змінюється мікроклімат, ще більше руйную­чи природні екосистеми.

ТЕПЛОЕЛЕКТРОСТАНЦШ (ТЕС) Енергія людини здавна була спрямована на по­шуки засобів полегшення виконання необхідних для її існування робіт. Для цього використовувалися різні інструменти й прості механізми, приручені твари­ни, але лише теплова машина різко розширила мож­ливості людини, прискорила технічний прогрес.

Теплова машина — це система, яка дає змогу пе­ретворити теплову енергію в інші форми енергіїмеханічну, електричну.

На теплових ЕС енергія, яка виділяється під час згоряння різних видів палива: вугілля, газу, нафти, торфу, горючих сланців, за допомогою електрогене­раторів, що приводяться в обертання паровими і га­зовими турбінами або двигунами внутрішнього згоряння, перетворюється в електричну енергію. Більшість сучасних потужних ТЕС є паротурбінни­ми. У паровій турбіні нагріта (до 500−560 °С) і стис­нена (до 2,4 • 107 Па) пара виходить із сопла (труби), • що розширюється. Об'єм пари зростає, а тиск відпо­відно падає, при цьому потенціальна енергія стис­нутої пари перетворюється в кінетичну. Пара вихо­дить із сопла з великою швидкістю, вдаряється в лопатки диска турбіни, закріпленого на валу, і швидко обертає їх, при цьому кінетична енергія пари передається ротору турбіни. Вал турбіни жорстко зв’яза­ний з валом електрогенератора, і тому турбіна при­водить в обертання ротор генератора, внаслідок чого і виробляється електрична енергія.

Більша частина енергії палива втрачається разом з гарячою (відпрацьованою) парою. Цю відпрацьо­вану на турбінах гарячу пароводяну суміш викорис­товують для опалення житлових приміщень і вироб­ничих потреб, що підвищує коефіцієнт корисної дії теплових електроцентралей (ТЕЦ). Слід зауважити, що на ТЕЦ 80% енергії згоряння палива використо­вують за прямим призначенням. Під час згоряння палива в теплових двигунах виділяються шкідливі речовини: закис вуглецю, сполуки азоту, сполуки свинцю, а також виділяється в атмосферу значна кількість теплоти. Крім того, застосування парових турбін на ТЕС потребує відведення великих площ під ставки, в яких охолоджується відпрацьована пара. Щорічно у світі спалюється 5 млрд. тонн вугілля і 3,2 млрд. тонн нафти, це супроводжується викидом в атмосферу 2−10'°Дж теплоти. Запаси органічного палива на Землі розподілені вкрай нерівномірно, і за теперішніх темпів споживання вугілля вистачить на 150−200 років, нафти — на 40−50 років, а газу приблизно на 60 років. Весь цикл робіт, пов’язаних з видобутком, перевезенням і спалюванням органіч­ного палива (головним чином вугілля), а також ут­воренням відходів, супроводжується виділенням великої кількості хімічних забруднювачів. Видобуток вугілля пов’язаний із чималим засоленням водних резервуарів куди скидаються води із шахт. Крім цьо­го, у воді, що відкачується, містяться ізотопи радію і радон. ТЕС, хоча й має сучасні системи очищення продуктів спалювання вугілля, викидає за один рік в атмосферу за різними оцінками від 10 до 120 тис. тонн оксидів сірки, 2−20 тис. тонн оксидів азоту, /700−1500 тонн попелу (без очищення — в 2т-3 рази більше) і виділяє 3−7 млн. тонн оксиду вуглецю. Крім того, утворюється понад-300 тис. тонн золи, яка містить близько 400-т токсичних металів (Арсену, кадмію, свинцю, ртуті).

Можна відзначити, що ТЕС, яка працює на вугіллі, викидає в атмосферу більше радіоактивних речовин, ніж АЕС такої самої потужності. Це пов’язано з ви­кидом різних радіоактивних елементів, що містяться у вугіллі у вигляді вкраплень (радій, торій, полоній та ін.). Для кількісної оцінки дії радіації вводиться по­няття «колективна доза», тобто добуток значення дози на кількість населення, що зазнало впливу радіації (він виражається у людино-зівертах). Виявилося, що на початку 90-х років минулого століття щорічна колективна доза опромінення населення України за рахунок теплової енергетики становила 767 люд/зв і за рахунок атомної- 188 люд/зв.

У наш час в атмосферу щорічно викидається 20−30 млрд. тонн оксиду вуглецю. Прогнози свідчать, що при збереженні таких темпів у майбутньому до середини століття середня температура на Землі може підвищитися на декілька градусів, що призведе до непередбачених глобальних кліматичних змін. Порівнюючи екологічну дію різних енергоджерел, необхідно врахувати їх вплив на здоров’я людини. Високий ризик для працівників у випадку викорис­тання вугілля пов’язаний із його видобутком у шахтах і транспортуванням і з екологічним впливом про­дуктів його спалювання. Останні дві причини стосу­ються нафти й газу та впливають на все населення. Встановлено, що глобальний вплив викидів від спа­лювання вугілля й нафти на здоров’я людей діє при­близно так само, як аварія типу Чорнобильської, що повторюється раз на рік. Це — «тихий Чорнобиль», наслідки якого безпосередньо невидимі, але постійно впливають на екологію. Концентрація токсичних домішок у хімічних відходах стабільна, і врешті-решт усі вони перейдуть у екосферу, на відміну від радіо­активних відходів АЕС, що розпадаються.

АТОМНА ЕЛЕКТРОСТАНЦІЯ (АЕС) Основа атомної енергетики — атомні електро­станції, які перетворюють ядерну енергію в елект­ричну. АЕС використовують теплоту, що виділяєть­ся в ядерному реакторі внаслідок ланцюгової реакції поділу ядер важких елементів, переважно 2330, ЇК13, изРи. Потім, як і на звичайних ТЕС, теплова енергія перетворюється в електричну. При остаточному поділі 1 г ізотопу урану чи плутонію вивільняється — 22,5 Метод енергії, що рівноцінно енергії 2,8 т умовного палива.

Принцип роботи АЕС такий: ядерний реактор, захищений бетоном, містить циліндри (стержні), всередині яких міститься уран. Уранові стержні-блоки знаходяться у воді, яка одночасно є і сповільню­вачем, і теплоносієм. Вода перебуває під великим тиском і тому може бути нагріта до дуже високої температури (порядку 300 °С). Така гаряча вода з вер­хньої частини активної зони реактора надходить трубопроводами в парогенератор (в якому також знахо­диться вода, яка випаровується), охолоджується і повертається трубопроводом у реактор. Насичена пара із парогенератора через трубопровід надходить у парову турбіну і після відпрацювання повертаєть­ся назад іншим трубопроводом. Турбіна обертає електричний генератор, струм від якого надходить у розподільний пристрій і потім у зовнішнє електрич­не коло. Хід ланцюгової реакції регулюється стерж­нями з речовин, які добре поглинають нейтрони.

З часу введення в дію першої АЕС минуло понад 40 років. За цей час у техніці АЕС сталися великі зміни різко зросли потужності ядерних реакторів, підвищилися техніко-економічні показники АЕС. Зараз для районів, віддалених від ресурсів хімічного палива, собівартість 1 кВт • год. для АЕС менша, ніж для теплових електростанцій. Тому, незважаючи на дещо вищу вартість обладнання для АЕС, їх загальні економічні показники в цих умовах кращі, ніж для теплових електростанцій. Запасів ядерного палива в енергетичному еквіваленті у. сотні разів більше, ніж органічного. АЕС практично не виділяють в атмо­сферу хімічних забруднювачів. Якщо під їхньою нор­мальною роботою розуміти такий режим експлуа­тації, за якого додаткова доза опромінення від станції не перевищує значень флуктуацій природного фону, то, як правило, ця умова дотримується! У цілому реальний радіаційний вплив АЕС на природне сере­довище є набагато (у 10 і більше разів) меншим при­пустимого. Якщо врахувати екологічну дію різнома­нітних енергоджерел на здоров’я людей, то серед не відновлюваних джерел енергії ризик від нормаль­но працюючих АЕС мінімальний як для працівників, діяльність яких пов’язана з різними етапами ядер­ного паливного циклу, так і для населення. Глобаль­ний радіаційний внесок атомної енергетики на всіх етапах ядерного паливного циклу нині становить близько 0,1% природного фону і не перевищить 1% навіть при найінтенсивнішому її розвитку в майбут­ньому.

Видобуток і переробка уранових руд також пов’язані з несприятливою екологічною дією. Колек­тивна доза, отримана персоналом установки і насе­ленням на всіх етапах видобутку урану й виготов­лення палива для реакторів, становить 14% повної дози ядерного паливного циклу. Але головною про­блемою залишається поховання високоактивних відходів. Обсяг особливо небезпечних радіоактивних відходів становить приблизно одну стотисячну час­тину загальної кількості відходів, серед яких є висо­котоксичні хімічні елементи та їх стійкі сполуки. Розробляються методи їх концентрації, надійного зв’язування й розміщення у тривких геологічних формаціях, де за розрахунками фахівців, вони мо­жуть утримуватися протягом тисячоліть Серйозним недоліком атомної енергетики є ра­діоактивність використовуваного палива і продуктів його поділу. Це вимагає створення захисту від різно­го типу радіоактивного випромінювання, що знач­но підвищує вартість енергії, яку виробляють АЕС. Крім цього, ще одним недоліком АЕС є теплове забруднення води, тобто її нагрівання.

Цікаво відзначити, що за даними групи англійсь­ких медиків, особи, що працювали протягом 1946; 1988 рр. на підприємствах британської ядерної про­мисловості, живуть у середньому довше, а рівень смертності серед них від усіх причин, включаючи рак, значно нижчий. Якщо враховувати реальні рівні радіації та концентрації хімічних речовин в атмо­сфері, то можна сказати, що вплив останніх на фло­ру в цілому досить значний порівняно із впливом радіації.

Наведені дані свідчать, що за нормальної роботи енергетичних установок екологічний вплив атомної енергетики у десятки разів нижчий, ніж теплової.

Невиправним лихом для України залишається Чорнобильська трагедія. Але вона більше стосуєть­ся того соціального строю, що її породив, ніж атом­ної енергетики. Адже ні на одній АЕС у світі, крім Чорнобильської, не було аварій, що безпосередньо призвели до загибелі людей.

Імовірнісний метод розрахунку безпеки АЕС у цілому свідчить, що при виробленні однієї й тієї самої одиниці електроенергії, імовірність великої аварії на АЕС у 100 разів нижча, ніж у випадку вугільної енер­гетики. Висновки з такого порівняння очевидні.

АЛЬТЕРНАТИВНІ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ

Зростання масштабів використання електричної енергії, загострення проблем охорони навколишнього середовища значно активізували пошуки екологічно чистіших способів вироблення електричної енергії. Інтенсивно розробляються способи використання непаливної відновлюваної енергії - сонячної, вітря­ної, геотермальної, енергії хвиль, припливів і відпливів, енергії біогазу тощо. Джерела цих видів енергії - невичерпні, але потрібно розумно оцінити, чи зможуть вони задовольнити усі потреби людства.

ВІТРОВІ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ (ВЕС) За оцінками різних авторів, загальний вітроенер­гетичний потенціал Землі становить 1200 ТВт, од­нак можливості використання цього виду енергії в різних районах Землі неоднакові. Новітні досліджен­ня направлені переважно на вироблення електрич­ної енергії за рахунок енергії вітру. Споруджуються ВЕС переважно постійного струму. Вітряне колесо приводить у рух динамо-машину — генератор елект­ричного струму, який одночасно заряджає паралель­но з'єднані акумулятори.

Сьогодні вітроелектричні агрегати надійно забез­печують струмом нафтовиківвони успішно працю­ють у важкодоступних районах, на далеких остро­вах, в Арктиці, на тисячах сільськогосподарських ферм, де немає поблизу великих населених пунктів і електростанцій загального користування. Широкому застосуванню вітроелектричних. Агрегатів у зви­чайних умовах поки що перешкоджає їх висока со­бівартість. При використанні вітру виникає серйоз­на проблема: надлишок енергії у вітряну погоду і нестача її в період безвітря. Використання енергії вітру ускладнюється тим, що вітер має малу густину енергії, а також змінюється його сила і напрям. Вітроустановки здебільшого використовують у тих місцях, де добрий вітровий режим. Для створення вітроустановок великої потужності необхідно, щоб вітродвигун мав великі розміри, крім того, повітря­ний гвинт треба підняти на достатню висоту, оскільки на більшій висоті вітер більш сталий і має більшу швидкість. Лише одна електростанція, що працює на органічному паливі, може замінити (за кількістю виробленої енергії) тисячі вітрових турбін.

ЕНЕРГІЯ ПРИПЛИВІВ І ВІДПЛИВІВ

Віками люди роздумували над причиною морсь­ких припливів і відпливів. Сьогодні ми достовірно знаємо, що могутнє природне явище — ритмічний рух морських вод викликають сили тяжіння Місяця і Сонця. Енергія припливів величезна, її сумарна потужність на Землі становить близько 1 млрд. кВт, що більше за сумарну потужність усіх річок світу.

Принцип дії припливних електростанцій дуже простий. Під час припливу вода, обертаючи ротор гідротурбіни, заповнює водоймище, а після відпливу вона з водоймища виходить в океан, знову обертаю­чи ротор турбіни. Головне — знайти зручне місце для встановлення греблі, в якому висота припливу була б значною. Будівництво й експлуатація елект­ростанцій на морі - складне завдання. Морська вода спричиняє корозію більшості металів, деталі уста­новок обростають водоростями.

ЕНЕРГІЯ СОНЦЯ

Тепловий потік сонячного випромінювання, який сягає Землі, дуже великий. Він більш як у 5000 разів перевищує сумарне використання всіх видів палив­но-енергетичних ресурсів у світі.

Серед переваг сонячної енергії - її вічність і ви­няткова екологічна чистота. Сонячна енергія над­ходить на всю поверхню Землі, лише полярні райо­ни планети страждають від її нестачі. Тобто, прак­тично на всій земній кулі лише хмари та ніч заважа­ють користуватися нею постійно. Така загальнодо­ступність робить цей вид енергії неможливим для монополізації, на відміну від нафти і газу. Звичайно, вартість 1 кВт • год. сонячної енергії значно вища, ніж отримана традиційним методом. Лише п’ята частина сонячного світла перетворюється в електрич­ний струм, але ця частка дедалі зростає завдяки зу­силлям учених та інженерів світу.

Оскільки енергія сонячного випромінювання розподілена по великій площі (іншими словами, має низьку густину), будь-яка установка для прямого використання сонячної енергії повинна мати зби­раючий пристрій з достатньою поверхнею. Найпро­стіший пристрій такого роду — плоский колекторв принципі це чорна плита, добре ізольована знизу.

Вона прикрита склом або пластмасою, яка пропус­кає світло, але не пропускає інфрачервоне теплове випромінювання. У просторі між плитою і склом найчастіше розміщують чорні трубки, в яких тече вода, масло, повітря, сірчистий ангідрид і т.п. Сонячне проміння, проникаючи крізь скло або плас­тмасу в колектор, поглинається чорними трубками і плитою та нагріває робочу речовину в трубках. Тепло­ве випромінювання не може вийти з колектора, тому температура в ньому значно вища (на 200−300 °С), ніж температура навколишнього повітря. У цьому виявляється так званий парниковий ефект. Більш складним колектором, Вартість якого значно вища, є вгнуте дзеркало, яке зосереджує падаюче проміння в малому об'ємі біля певної геометричної точки — фокуса. Завдяки спеціальним механізмам колектори такого типу постійно повернені до Сонця. Це дає-змогу збирати Значну кількість сонячного проміння. Температура в робочому просторі дзеркальних колеїсгорів досягає 3000 °C і вище. Існують електрос­танції дещо іншого типу, їх відмінність полягає в тому, що сфокусоване на вершину вежі сонячне теп­ло приводить у рух натрієвий теплоносій, який нагріває воду до утворення пари. На думку фахівців, найпривабливішою ідеєю щодо перетворення соняч­ної енергії є використання фотоелектричного ефек­ту в напівпровідниках. Однак поверхня сонячних батарей для забезпечення достатньої потужності має бути досить значною (для добового вироблення 500 МВт • год. необхідна поверхня площею 500 000 м2), що досить дорого. Сонячна енергетика належить до найбільш матеріалоємних видів виробництва енергії. Великомасштабне використання сонячної енергії спричиняє гігантське збільшення потреб у матеріа­лах, а отже, в трудових ресурсах для видобутку сиро­вини, її збагачення, отримання матеріалів, виготов­лення геліостатів, колекторів, іншої апаратури, їх перевезення. Ефективність сонячних електростанцій у районах, віддалених від екватора, досить мала че­рез нестійкі атмосферні умови, відносно слабку Інтенсивність сонячної радіації, а також її коливан­ня, зумовлені чергуванням дня і ночі.

ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГІЯ

Геотермальна енергетика використовує високі тем­ператури глибоких надр земної кори для вироблення теплової енергії. У деяких місцях Землі, особливо на краю тектонічних плит, теплота виходить на поверх­ню у вигляді гарячих джерел — гейзерів і вулканів. В інших областях підводні джерела протікають крізь га­рячі підземні пласти, і цю теплоту можна забрати че­рез системи теплообміну. Ісландія є прикладом країн, де широко використовується геотермальна енергія.

БІОГАЗ. БІОТЕХНОЛОГІЯ

Зараз розроблено технології, які дають змогу до­бувати горючі гази з біологічної сировини в резуль­таті хімічної реакції розпаду високомолекулярних сполук на низькомолекулярні за рахунок діяльності особливих бактерій (які беруть участь у реакції без доступу кисню з повітря). Схема реакції: біомаса + + бактерії -> горючі гази + інші гази + добрива.

Біомасаце відходи сільськогосподарського виробництва (тваринництва, переробної промисловості). Основною сировиною для виробництва біогазу є гній, який доставляють на біогазввустанції. Головним про­дуктом біогазової станції є суміш горючих газів (90% у суміші складає метан). Цю суміш постачають на ус­тановки для вироблення теплоти, на електростанції.

Відновлювані джерела (крім енергії води, що падає) мають спільний недолік: їхня енергія дуже слабо сконцентрована, що створює чималі труднощі для практичного використання. Вартість відновлю­ваних джерел (не враховуючи ГЕС) набагато вища,.

ніж традиційних. Як сонячна, так і вітрова та інші види енергії, можуть успішного використовуватись для вироблення електроенергії в діапазоні потужностей від кількох до десятків кіловат. Але ці види енергії цілком неперспективні для створення потуж­них промислових енергоджерел.