Альтернативные энергоносители

Нарчук Максим Владимирович, студент гр АП-08 Новоуренгойского техникума газовой промышленности

Тема поиска наиболее выгодных альтернативных источников энергии актуальна в наши дни. Наша цивилизация динамична. Любое развитие требует, прежде всего, энергетических затрат и при существующих формах национальных экономик многих государств можно ожидать возникновения серьезных энергетических проблем. Запасы нефти, газа, угля не бесконечны. Чем больше мы используем эти виды энергетического сырья, тем меньше их остается, и тем дороже с каждым днем они нам обходятся. Даже если энергетического кризиса удастся избежать, мир, рано или поздно, неизбежно столкнется с тем, что основные виды традиционного топлива будут исчерпаны. В некоторых странах они уже существуют. Неизбежность топливного дефицита в настоящее время ни у кого не вызывает сомнения.

Актуальность поиска альтернативных источников энергии является уже “перезревающим” плодом современного промышленно-технического комплекса. На современном этапе развития вклад нефти в мировую энергетику равен 37%, природного газа 26%, угля 24%, атомной энергии 6,2%, ГЭС 6,7 %, а на нетрадиционные источники энергии приходится около 1%. Основным требованием, предъявляемым к альтернативным источникам энергии, является получение этих источников из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений.

1. Геотермальные электростанции (ГеоТЭС).

Это особый тип электростанции, которая преобразует внутреннее тепло Земли в электрическую энергию. Геотермальная энергия – это самый большой энергетический запас на планете, которым располагает человечество. А наряду с её экологической безопасностью, разработка и строительство геотермальных электростанций становится все более актуальным. Схема работы геотермальной электростанции достаточно проста. Вода, через специально пробуренные отверстия, закачивается глубоко под землю, в те слои земной коры, которые естественным образом довольно сильно нагреты. Просачиваясь в трещины и полости горячего гранита, вода нагревается, вплоть до образования водяного пара, и по другой, параллельной скважине поднимается обратно. После этого горячая вода поступает непосредственно на электростанцию, в так называемый теплообменник, и её энергия преобразуется в электрическую. Это происходит посредством турбины и генератора, как и во многих других типах электростанций. В другом варианте геотермальной электростанции, используются природные гидротермальные ресурсы, т. е. вода, нагретая до высокой температуры в результате естественных природных процессов. Однако область использование подобных ресурсов значительно ограничена наличием особых геологических районов. В России, например, такими являются Камчатка или район Кавказских минеральных вод. В этом случае в теплообменник поступает уже нагретая вода, выкачанная из земных недр. В другом случае – вода в результате высокого геологического давления, поднимается самостоятельно, через специально пробуренные отверстия. Это, так скажем, общий принцип работы геотермальной электростанции, который подходит для всех их типов. По своему техническому устройству, геотермальные электростанции подразделяются на несколько видов:

– геотермальные электростанции на парогидротермах – это электростанции, в которых используется уже нагретая природой вода.

– двухконтурная геотермальная электростанция на водяном паре. В таких электростанциях имеется специальный двухконтурный парогенератор, позволяющий генерировать «добавочный» пар. Иными словами в «горячей» стороне парогенератора используется геотермальный пар, а на «холодной» его стороне генерируется вторичный пар, полученный из подведенной воды. Область применения таких электростанций – использование очень горячих (до 200 градусов) термальных вод, а также используемой дополнительно воды на месторождениях парогидротерм, о которых было сказано выше. Геотермальные энергетика, и геотермальные электростанции в том числе, является одним из самых перспективных видов получения альтернативных источников энергии. К остальным положительным качествам геотермальной энергии можно отнести «круглосуточный» режим работы, который не зависит от климатических условий, времени года и прочих подобных факторов. Это полностью экологически чистый источник энергии, а его экономическая эффективность во много раз превосходит более традиционные виды получения электроэнергии.

2. Энергия ветра

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Общая мощность энергии ветра на земном шаре оценивается в 2,43 • 1015 МВт. По оценке организации "Гринпис", человек может получить за счет ветра 530 ООО ТВт • ч энергии в год — четверть общей потребности. Ветряная электростанция — несколько ветрогенераторов, собранных в одном, или нескольких местах. Крупные ветряные электростанции могут состоять из 100 и более ветрогенераторов. Существуют 3 типа ветряных электростанций:

А) Наземные (ветрогенераторы устанавливаются на холмах или возвышенностях).

Б) Прибрежные (строят на небольшом удалении от берега моря или океана. На побережье с суточной периодичностью дует бриз, что вызвано неравномерным нагреванием поверхности суши и водоёма).

В) Оффшорные (строят в море 10—12 километров от берега. Оффшорные ветряные электростанции обладают рядом преимуществ: их практически не видно с берега, они не занимают землю, они имеют большую эффективность из-за регулярных морских ветров).

3. Энергия солнца

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Общее количество энергии, идущей от Солнца к Земле за год в 3000 раз больше, чем энергия всех остальных видов топлива. Использование всего лишь 0. 0125 % этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0. 5 % - полностью покрыть потребности на перспективу.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:

1) Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.

2) Гелиотермальная энергетика - Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).

3) Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).

Достоинства солнечной энергетики:

1) Общедоступность и неисчерпаемость источника.

2) Теоретически, полная безопасность для окружающей среды. Существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

4. Пьезоэлектричество

Пьезоэлектричество - способность веществ при изменении формы продуцировать электрическую силу. Пьезоэлементы - кристаллы, обладающие свойством при сжатии продуцировать электрический заряд и обратным свойством под действием электрического. Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы. Однослойные - под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество. Двуслойные - могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или расширяться. "Сгибатели" имеют наибольшую величину смещения относительно других видов, а "расширители", будучи более упругими, имеют намного меньшую величину смещения, но большей силы. Многослойные - высвобождают наибольшее количество силы при минимальном изменении формы. Пьезоэлементы уже используются, например в Израиле. Команда израильских инженеров изобрели технологию, которая позволяет некоторым типам дорог генерировать электричество только за счет того, что по ним ездят автомобили. Разработчики утверждают, что один километр специального дорожного покрытия способен генерировать около 400 кВт – этого достаточно, чтобы привести в действие восемь небольших автомобилей. Схожие разработки ведет один изобретатель из Калифорнии – его система накапливает энергию проходящих по шоссе тяжелых дальнобойщиков, которые сжимают встроенные в дорожное покрытие «тарелки» с гидравлической жидкостью и создает некое подобие насосной силы, которая приводит в действие генераторы.

5. Генератор-Земля

Наша планета в электрическом отношении представляет собой подобие сферического конденсатора, заряженного примерно до 300 000 вольт. Внутренняя сфера - поверхность Земли - заряжена отрицательно, внешняя сфера - ионосфера - положительно. Изолятором служит атмосфера Земли. Через атмосферу постоянно протекают ионные и конвективные токи утечки конденсатора, которые достигают многих тысяч ампер. Но, несмотря на это разность потенциалов между обкладками конденсатора не уменьшается. А это значит, что в природе существует генератор (G), который постоянно восполняет утечку зарядов с обкладок конденсатора. Таким генератором является магнитное поле Земли, которое вращается вместе с нашей планетой в потоке солнечного ветра. Чтобы воспользоваться энергией этого генератора, нужно каким то образом подключить к нему потребитель энергии. Подключиться к отрицательному полюсу просто. Для этого достаточно сделать надежное заземление. Подключение к положительному полюсу генератора (ионосфере) - является сложной технической задачей. Как и в любом заряженном конденсаторе, в нашем глобальном конденсаторе существует электрическое поле. Напряженность этого поля распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли и составляет примерно 150 В/м. С высотой она уменьшается приблизительно по закону экспоненты и на высоте 10 км составляет около 3% от значения у поверхности Земли. Таким образом, почти всё электрическое поле сосредоточено в нижнем слое атмосферы, у поверхности Земли. Вектор напряженности эл. поля Земли направлен в общем случае вниз. Электрическое поле Земли, как и любое электрическое поле, действует на заряды с определенной силой F. Если умножить величину заряда на напряженность эл. поля в этой точке, то получим величину кулоновской силы F кул. Эта кулоновская сила толкает положительные заряды вниз, к земле, а отрицательные - вверх, в облака. Электрическое поле Земли является потенциальным полем как и любое эл. поле. Каждой точке этого поля соответствует свой потенциал. Точки с одинаковым потенциалом образуют эквипотенциальные поверхности. В результате наших действий мы подключили потребитель энергии к глобальному генератору электрической энергии. К отрицательному полюсу - Земле - мы подключились с помощью обычного металлического проводника (заземления), а к положительному полюсу - ионосфере - с помощью весьма специфического проводника - конвективного тока. Конвективные токи - это электрические токи, обусловленные упорядоченным переносом заряженных частиц. В природе они встречаются часто. Самые мощные из них - это ураганы и восходящие потоки воздуха во внутритропической зоне конвергенции, которые уносят огромное количество отрицательных зарядов в верхние слои тропосферы. Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1) Источник энергии является простым и удобным в использовании.

2) На выходе получаем самый удобный вид энергии - электроэнергию.

3) Источник экологически чист: никаких выбросов, никакого шума и т. п.

4) Установка проста в изготовлении и эксплуатации.

5) Исключительная дешевизна получаемой энергии и еще масса других достоинств.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

6. Водяная батарейка

Одно из свойств воды - протекая сквозь микрокапилляры, создается разность потенциалов между входным и выходным отверстиями. Это происходит за счет эффекта так называемого двойного поверхностного слоя. Ученые утверждают, что "электрокинетические" батареи смогут в дальнейшем стать экологически чистым источником энергии, способным питать небольшие устройства типа мобильных телефонов. Пока это стеклянный диск диаметром 2 см и высотой 3 мм, в котором проделано от 400 до 500 тыс. микроотверстий диаметром 10 мк. Когда через это "сито" пропускается вода, на плоскостях диска образуются положительный и отрицательный заряды. Такая батарейка уже сейчас может генерировать напряжение 10В и создавать ток силой около 1 мА. Ученые утверждают, что это только начало, но предстоит еще немало сделать, чтобы довести прототип до прибора коммерческого использования.

7. Электричество из картофеля

Учитывая, что многие современные электронные устройства, такие как радиоприёмники, часы, калькуляторы и другие, потребляют малый ток при небольшом напряжении, необходимо обратить внимание на нетрадиционные источники электрической энергии. Научиться их использовать в неожиданных ситуациях. Уметь получать электрическую энергию из подручных средств. В картофеле содержится фосфорная кислота, которая делает возможной химическую реакцию, вызывающую поток электронов от одного электрода к другому. В роли электродов выступают оцинкованные гвозди, воткнутые в каждую из картофелин, и медная проволока, которой, в свою очередь, обмотаны гвозди. Необязательно использовать картофель, подойдет любая кислая среда, например цитрусовые. Было выявлено, что при подключения картофеля лучшие значения используемых металлов дают сочетания: медь – цинк, уголь – цинк, медь – алюминий, уголь — свинец. Максимальные значения напряжения – 0,9В – 1,5В получаются при площади погружения электродов на 1см2 — 1,5 см2, а значения силы тока удавалось поднять от 1,2мА до 0,32А с помощью различных растворов– 10% раствор аммиака, азотная кислота, сода пищевая и другие. Этих значений достаточно для подключения FM-радиоприёмников, часов и прочих электронных устройств.

Электролизно-овощной генератор

8. Микробные электростанции

Жизнедеятельность микробов может быть использована для получения электричества и производства энергоносителей, таких как этиловый спирт. Ученые считают перспективными разработки микробных топливных элементов, в которых энергия органических сточных вод и возобновляемой биомассы преобразуется в электричество. Однако микробные топливные элементы пока не оптимизированы для практического применения. Но в лабораториях уже удалось достичь 10-кратного увеличения мощности микробных топливных элементов. Это стало возможным путем создания условий для образования на электродах бактериальных пленок. Бактерии сохраняют жизнеспособность на некотором расстоянии от анода, причем эффективность производства электроэнергии не снижается с увеличением толщины бактериальной пленки. Ученым удалось обнаружить, что бактерии имеют своеобразные выросты — «микропровода» на основе некоторых специфических белковых молекул. Именно по этим «микропроводам» и передается электроэнергия. Таким образом, стало ясно, что эффективность микробных топливных элементов удастся повысить, если методами генной инженерии будут созданы штаммы бактерий, имеющие токопроводящие микровыросты и образующие пленку на поверхности электродов.