Энергия и ее виды. Закон сохранения энергии

Альтернативные виды энергии В настоящее время во всем мире наблюдается повышенный интерес к использованию в различных отраслях экономики нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Ведется бурная дискуссия о выборе путей развития энергетики. Это связано, прежде всего, с растущей необходимостью охраны окружающей среды.

Движущей силой этого процесса являются происходящие изменения в энергетической политике стран со структурной перестройкой топливно-энергетического комплекса, связанной с экологической ситуацией, складывающейся в настоящее время как переходом на энергосберегающие и ресурсосберегающие технологии в энергетике, так и в промышленности и в жилищно-гражданском комплексе.

Ежегодно в мире увеличивается число международных симпозиумов, конференций и встреч ученых и специалистов, рассматривающих состояние и перспективы развития этого направления энергетики.

Значительное внимание этой проблеме уделяется организациями, входящими в ООН, такими как ЮНЕСКО, ЕЭК, ЮНЕП, ЮНИДС, а также другими межправительственными и неправительственными международными организациями.

Выделяются значительные средства на работы в области НВИЭ из целевых ассигнований ЕЭС, Европейского фонда национального развития, Евроатома и других организаций.

Приближающаяся угроза топливного “голода”, а также загрязнение окружающей среды и тот факт, что прирост потребности в энергии значительно опережает прирост ее производства, вынуждает многие страны с новых позиций обратить внимание на энергию солнечных лучей, ветра, текущей воды, тепла земных недр, то есть на энергию, большая часть которой растворяется в пространстве, не принося ни вреда, ни пользы. В настоящее время на производство тепла и электричества расходуется ежегодно количество тепла, эквивалентное примерно 1000 трлн. баррелей нефти, сжигание которых сильно засоряет атмосферу Земли. Опыт. В 1990 г . первое место по объему бюджетных ассигнований на НИОКР в области НВИЭ сохранялось за США, второе – у Японии, у германии – третье, далее следуют Италия, Испания, Великобритания и Нидерланды.

Отмечается также некоторая смена приоритетов в отношении к различным видам НВИЭ. Первое место принадлежит теперь солнечной энергетике, второе – биоэнергетике, которая несколько оттеснила ветроэнергетику.

Последнее объясняется тем, что многие ветроэнергетические проекты не доведены до промышленной и коммерческой стадии.

Третье место осталось за геотермальной энергетикой. В “Белой книге” ООН ( 1992 г .), посвященной роли НВИЭ приведена оценка удельных затрат на строительство энергетических установок на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии.

Ожидаемая стоимость в долларах 1 кВт установленной мощности в 1998 г . оценивается: для ТЭС на угле мощностью 300 МВт – 2283, для группы ветроустановок мощностью 75 МВт – 1434. Для электростанций на биомассе мощностью 40 МВт – 7085, ГеоТЭС мощностью 113 МВт – 1527, солнечные электростанции модульного типа мощностью 30 МВт – 4497, фотоэлектрические станции мощностью 100 МВт – 3800 МВт – 4200. Доля НВИЭ в мировом топливно-энергетическом балансе мира в 1985 г . составила 17,6%, в том числе гидроэнергия 5,8% (доля среди НВИЭ 33%), биомасса из природных источников и энергетических плантаций – 10,3% (58% всех НВИЭ), отходы сельского хозяйства – 1,2%. Ожидается, что к 2000 г . вклад НВИЭ возрастет до 4807 млн. т. условного топлива, при этом гидроэнергия составит 26%, солнечная энергия 6%, древесное топливо 49%, отходы 15%, энергия ветра 1,8%. К 2020 г . при общем потреблении НВИЭ примерно 6944 млн. т. условного топлива, доля различных источников составит соответственно 25; 9,6; 42 и 13,3%. Учитывая все более обостряющиеся проблемы защиты окружающей среды, сделана попытка оценки предельных значений возможного использования энергии. В одном из прогнозов отмечается, что для предотвращения катастрофического загрязнения окружающей среды и сохранения разнообразия биологических вдов на Земле потребление энергии на одного человека в среднем не должна превышать 80 ГДж/год. В настоящее время в США оно составляет 280, в Великобритании 150 ГДж. В одном из прогнозов, разработанных в Испании, проведена оценка возможного потенциала использования НВИЭ в мире.

Технический гидропотенциал мира оценен в 1350 ГВт. По прогнозу развития использования НВИЭ, выполненному в США указывается, что ресурсы НВИЭ в США более чем в 500 раз превышают объемы их потребления и более чем в 10 раз ресурсы органического и ядерного топлива. К 2030 г . НВИЭ могут дать энергию, эквивалентную 50-70 современного уровня потребления энергии. НВИЭ, преимущественно биомасса и гидроресурсы, удовлетворяют сейчас примерно 20% мировой потребности в энергии, а энергия биомассы – 35% энергетических потребностей развивающихся стран.

Гидроэнергия и биомасса удовлетворяют более 50% энергетических потребностей Норвегии. В промышленно развитых странах потребность в низкотемпературном тепле составляет 30-50% общей потребности в энергии, а в развивающихся странах – еще больше. Через несколько десятилетий с помощью солнечной энергии будет производиться нагрев почти всей требующейся воды, а пассивные системы отопления и охлаждения зданий снизят потребность в энергии для этих целей примерно на 80%. На Кипре, в Израиле, Японии и Иордании 25-65% потребности в горячей воде обеспечивают гелиотермические установки. В конце 1989 г . мощность электрогенерирующих установок в странах ЕС на НВИЭ составила 1718 МВт.

Например, в Португалии мощность установок на биомассе составила 201 МВт, на городских и промышленных отходах в Германии – 194, В Нидерландах - 164 МВт. В Италии мощность геотермальных установок составила 521 МВт (всего в странах ЕС 559 МВт). Франция – единственная страна, обладающая крупной электростанцией 240 МВт. Дания обладает 77% (253 МВт) всех ветроустановок ЕС, Нидерланды – 40 МВт. В странах ЕС реализовалась третья четырехлетняя программа в области НВИЭ (1990 – 1994 гг.), принципиальной целью которой являлось повышение конкурентоспособности Европейской промышленности высоких технологий на мировом рынке, в сравнении с промышленностью США и Японии.

Важнейшим достижением первых двух программ НИОКР были признаны разработка проекта солнечной электростанции башенного типа, строительство 15 гелиоэнергетических установок мощностью 30 – 300 кВт внедрение технологий по использованию энергии биомассы и геотермальной энергии. В мире эксплуатируется свыше 100 тыс. ветроэнергетических установок общей мощностью 2500 МВт, в том числе более 16 тыс. в США. Согласно прогнозу МИРЭС, на долю НВИЭ в 2020 г . будет приходиться 1150 – 1450 млн. т условного топлива (5,6 – 5,8% общего энергопотребления). При этом прогнозируемая доля отдельных видов НВИЭ составит: биомасса – 35%, солнечная энергия – 13%, гидроэнергия – 16%, ветроэнергия – 18%, геотермальная энергия – 12%, энергия океана – 6%. Ветер. Ветер – один из нетрадиционных источников энергии. Ветер рассматривается специалистами как один из наиболее перспективных источников энергии, способный заменить не только традиционные источники, но и ядерную энергетику.

Выработка электроэнергии с помощью ветра имеет ряд преимуществ: · Экологически чистое производство без вредных отходов; · Экономия дефицитного дорогостоящего топлива (традиционного и для атомных станций); · Доступность; · Практическая неисчерпаемость. В ближайшем будущем ветер будет скорее дополнительным, а не альтернативным источником энергии. По оценкам зарубежных специалистов (в частности США), достаточная конкурентноспособность ветроэнергетических установок (ВЭУ) по сравнению с традиционными типами электростанций может быть обеспечена при сокращении стоимости ВЭУ примерно в два раза и повышении их надежности в 3-5 раз. Во многих странах мира (США, ФРГ, ДАНИЯ, ИТАЛИЯ, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ, НИДЕРЛАНДЫ и др.) ассигнуются значительные государственные средства на НИОКР в области создания ВЭУ. Особое внимание при проведении этих работ уделяется повышению надежности установок, их безопасности, снижению шума, уменьшению помех теле - и радиокоммуникаций. В настоящее время можно выделить следующие сановные направления использования энергии ветра: Непосредственная выработка механической или тепловой энергии (ветротепловые, ветронасосные, ветрокомпрессорные, мельничные и т.п. установки); Удовлетворение потребностей в электроэнергии мелких предприятий, фирм, учреждений и т.п. По данным ООН к 2000 г . доля новых и возобновляемых источников энергии составит более 13% энергоресурсов и будет эквивалентна использованию примерно 1 млрд. т нефти, что немногим меньше доли природного газа и более чем в два раза превосходит долю ядерной энергии.

Использование энергии ветра. В Дании в 1994 г . действовало приблизительно 3600 ветровых энергетических установок (ВЭУ), обеспечивая 3% общей потребности в электроэнергии. В Калифорнии (США) действует 15 000 ВЭУ, обеспечивающих электроэнергией жителей Сан-Франциско. На конец 1993 г . в мире было приблизительно 20 000 ВЭУ, вырабатывающих 3000 МВт/ч электроэнергии в год. В 80-х годах удельная стоимость ВЭУ составляла 3000 дол/кВт, а стоимость вырабатываемой электроэнергии более 20 центов/(кВт / ч). В дальнейшем за счет усовершенствования ВЭУ удельная стоимость снизилась до 1000-1200 дол/кВт, а стоимость производимой электроэнергии до 7-9 центов/(кВт-ч). Для сравнения на новых ТЭС, работающих на газе и угле, она составляет 4-6 центов/(кВт-ч). Многие американские и европейские компании, многие правительства успешно продвигают ветровую технологию, понимая ее значимость. Так, в Калифорнии в 1987 г . установленная мощность ВЭУ составляла 13% по отношению к общей генерирующей мощности, а в 1990 г . - 24%. В настоящее время наибольшее распространение получают ВЭУ мощностью 300-750 кВт по сравнению с ранее применявшимися ВЭУ мощностью 100кВт. В новых конструкциях ВЭУ используется аэродинамический профиль ветрового колеса, изготавливаемого из синтетических материалов.

Насыщается конструкция многими электронными устройствами, включая контроль за изменением скорости ветра, обеспечивающими эффективность использования ветра. Новые конструкции лучше приспособлены к режиму ветра, в 1994 г . стоимость вырабатываемой электроэнергии уже составила 4-5 центов/(кВт-ч). В США планируется использовать энергию ветра (кроме Калифорнии) в штатах Миннесота, Монтана, Нью-Йорк, Орегон, Техас, Вермонт, Вашингтон, Висконсин и др. ВЭУ занимают в настоящее время 0,6% площади страны. При использовании ветра в 48 штатах может быть выработано до 20% потребности в энергии США. Теоретические расчеты показывают, что в трех штатах: Северная и Южная Дакота и Техас потребность в электроэнергии может быть полностью обеспечена за счет энергии ветра. В Северной Германии стоимость вырабатываемой ВЭУ электроэнергии составляет 13 центов/(кВтч). Предполагалось к 1995 г . ввести вэу общей мощностью 500 МВт и уже в первой половине 1994 г . установленная мощность ВЭУ составила 95 МВт. В Дании общая мощность ВЭУ вскоре может достигнуть мощности ВЭУ Германии и Великобритании, вместе взятых и превысит 1000 МВт к 2005 г . Европейский союз предполагает довести мощность ВЭУ до 4000 МВт к 2000 г . и 8000 МВт к 2005 г . В середине 1994 г . в Европе уже было построено ВЭУ общей мощностью 1400 МВт и в 1995 г . эта цифра может достигнуть 2000 МВт. В Индии наибольший ветряной бум, поддержанный правительством, начался в 1994 г . Уже в середине 1994 г . было ведено в эксплуатацию 120 МВт и в течение последующих 12 мес. должно быть введено еще 970 МВт. В результате выполнения этой программы в некоторых регионах Индии располагаемая генерирующая мощность возросла в десятки раз. В Китае, Новой Зеландии, Швейцарии, Канаде и на Кубе официально предполагалось в 1994 г . приступить к осуществлению проектов строительства ВЭУ. На Украине с помощью американских фирм предусматривается строительство ВЭУ общей мощностью 500 МВт. Среди стран, которые еще имеют возможность развития ветроэнергетики, следует указать Аргентину, Канаду, Китай, Россию, Мексику, Южную Америку и Тунис, где возможно за счет энергии ветра покрывать до 20% потребности в электроэнергии.

Наконец, 20 малых субтропических стран, где потребности в электроэнергии удовлетворяются за счет дорогих дизель-генераторных установок, имеют возможность развивать использование ветра.

Развитие ветроэнергетики как источника энергии в некоторых странах сталкивается с противодействием. С одной стороны, ветровые фермы занимают большие площади. С другой стороны, возникают проблемы, связанные с изменением ландшафта при строительстве ВЭУ. Площади, занимаемые ВЭУ, могут быть использованы для сельскохозяйственных нужд.

Стоимость 1 га земли в зависимости от регионов может составлять от 100 до 2500 дол. и более. Опыт подсказывает, что требования сохранения эстетики в большинстве случаев могут быть решены.

Другой проблемой, связанной со строительством ВЭУ, возникшей в 1994 г ., стала потенциальная возможность гибели птиц на путях их миграции.

Орнитологи указывают, что некоторые пути миграции птиц проходят через площади, занимаемые ВЭУ. В связи с этим возникла необходимость провести научные исследования для понимания природы и масштабов проблемы.

Эксперты надеются на успешное ее решение.

Немаловажными проблемами также являются влияние уровня шума, создаваемого установкой и влияние работы ВЭУ на системы радиосвязи. Еще одной из проблем ветроэнергетики является то, что регионы, благоприятные для использования энергии ветра, удалены от крупных индустриальных центров, а строительство новых линий электропередач потребует значительных затрат времени и средств. Так, по расчетам специалистов линия электропередачи для передачи мощностью 2000 МВт на 2000 км может стоить 1,5 биллиона дол.

Солнце. Солнечные электростанции . После энергетического кризиса 1973 г . правительствами стран и частными компаниями были приняты экстренные меры по поиску новых видов энергетических ресурсов для получения электроэнергии. Таким источником в первую очередь стала солнечная энергия. Были разработаны параболоцилиндрические концентраторы. Эти устройства концентрируют солнечную энергию на трубчатых приемниках, расположенных в фокусе концентраторов.

Интересно, что в 1973 г . вскоре после начала нефтяного эмбарго был сконструирован плоский концентратор, явившийся успехом научной и инженерной мысли. Это привело к созданию первых солнечных электростанций (СЭС) башенного типа.

Широкое применение эффективных материалов, электронных устройств и параболоцилиндрических концентраторов позволило построить СЭС с уменьшенной стоимостью - системы модульного типа.

Началось внедрение этих систем в Калифорнии фирмой Луз (Израиль). Были подписаны контракты с фирмой Эдисон на строительство в южной Калифорнии серии СЭС. В качестве теплоносителя использовалась вода, а полученный пар подавался к турбинам.

Первая СЭС, построенная в 1984 г ., имела КПД 14,5%, а себестоимость производимой электроэнергии 29 центов/(кВт-ч). В 1994 г . фирма Луз реорганизована в компанию Солел, базирующуюся в Израиле, и продолжает успешно работать над созданием СЭС, ведет строительство СЭС мощностью 200 МВт, а также разрабатывает новые системы аккумулирования энергии. В период между 1984 и 1990 г . фирмой Луз было построено девять СЭС общей мощностью 354 МВт.

Последние СЭС, построенные фирмой Луз, производят электроэнергию по 13 центов/(кВт-ч) с перспективой снижения до 10 центов/(кБт-ч). Д. Миле из университета Сиднея улучшил конструкцию солнечного концентратора, использовав слежение за Солнцем по двум осям и применив вакуумированный теплоприемник, получил КПД 25 -- 30%. Стоимость получаемой электроэнергии составит 6 центов/(кВт-ч). Строительство первой экспериментальной установки с таким концентратором начато в 1994 г . а Австралийском национальном университете, мощность установки 2 МВт.

Считают, что подобная система будет создана в США после 2000 г . и она позволит снизить стоимость получаемой электроэнергии до 5,4 цента/(кВт-ч). При таких показателях строительство СЭС станет экономичным и конкурентоспособным по сравнению с ТЭС. Другим типом СЭС, получившим развитие, стали установки с двигателем Стирлинга, размещаемым в фокусе параболического зеркального концентратора. КПД таких установок 'может достигать 29%. Предполагается использовать подобные СЭС небольшой мощности для электроснабжения автономных потребителей в отдаленных местностях. ОТЭС. В перспективе можно использовать для получения электроэнергии разность температуры слоев воды в океане, которая может достигать 20°С. Станции на этой основе (ОТЭС) находятся в разработке.

Первый вариант подобной установки мощностью 5 МВт проектируется в Израиле.

Меньшие по мощности установки действуют в Австралии, Калифорнии и ряде других стран.

Основная сложность перспективы их использования - низкая экономичность и как следствие отсутствие коммерческого интереса.

Фотоэнергетика.

Начиная с 70-х годов правительства индустриальных стран израсходовали биллион долларов на разработки фотоэлектрических преобразователей. За последние 10 лет стоимость фотоэлектрических преобразователей снижалась и в 1993 г . достигла 3,5-4,75 дол/Вт, а стоимость получаемой энергии 25-40 центов/(кВт/ч). Мировой объем производства с 6,5 МВт в 1980 г . увеличился до 29 МВт в 1987 г . и в 1993 г . составил более 60 МВт. В Японии ежегодно выпускается 100 млн. калькуляторов общей мощностью 4 МВт, что составляет 7% мировой торговли фотоэлектрическими преобразователями. Более 20 тыс. домов в Мексике, Индонезии, Южной Африке, Шри-Ланке и в других развивающихся странах используют фотоэлектрические системы, смонтированные на крышах домов, для получения электроэнергии для бытовых целей.

Наилучшим примером использования таких систем является Доминиканская республика, где 2 тыс. домов имеют фотоэлектрические установки, сконструированные в последние 9 лет.

Стоимость такой установки 2 тыс. дол. В Шри-Ланке израсходовано 10 млн. дол на электрификацию 60тыс. домов с помощью фотосистем.

Стоимость установки мощностью 50Вт, включающая фотопанель, источник света и аккумуляторную батарею, составляет 500 дол. В будущем стоимость ycтaновки для малых систем будет снижаться, например установки с люминесцентными лампами. В Кении в течение последних лет 20 тыс. домов электрифицировано с помощью фотосистем по сравнению с 17 тыс. домами, где за это же время введено централизованное электроснабжение. В Зимбабве за счет кредита в 7 млн. дол, выделенного в 1992 г ., будет электрифицировано 20 тыс. домов в течение 5 лет.

Мировым банком выделен кредит в 55 млн. дол. для электрификации 100 тыс. домов в Индии фотосистемами. В США стоимость 1 км распределительных электросетей составляет 13-33 тыс. дол.

Контракт на установку мощностью 500 МВт, включающую электроснабжение дома, освещение, радио, телевидение и компьютер, составляет не менее 15 тыс. дол. (включая аккумуляторную батарею). Уже имеется 50 тыс. таких установок в городах и ежегодно строится около 8 тыс. установок. Среди индустриальных стран кроме США также лидируют в использовании фотосистем в домах Испания и Швейцария. Если даже ежегодно в мире будет снабжаться фотосистемами 4 млн. домов (1% тех, что электрифицируются ежегодно), то общая установленная мощность фотосистем составит всего 200 МВт, что в 4 раза меньше мирового производства их в 1993 г . Если производство фотосистем достигнет ежегодно 1% общей продажи энергии в мире, то их производство по сравнению с современным уровнем должно возрасти десятикратно, а увеличение до 10% этой продажи приведет к стократному росту производства фотосистем. Для успешного внедрения фотосистем их удельная стоимость должна быть снижена в 3-5 раз прежде, чем появятся крупные энергосистемы.

Половина продажи кремния приходится на монокристаллы, поликристаллическая модификация также имеет большое будущее.

Большое будущее будут иметь тонкопленочные системы, в частности на основе аморфного кремния.

Некоторые образцы фотоэлектро-преобразователей на основе аморфного кремния имеют КПД 10%, удельную стоимость 1 дол/Вт, стоимость получаемой электроэнергии 10-12 центов/(кВт/ч) - это ниже, чем была ее стоимость в 1993 г . Имеется перспектива снижения стоимости к 2000 г . до 10 центов/(кВт /ч) и до 4 центов/(кВт /ч) к 2020 г . Итак, фотоэнергетика может стать ведущим источником энергии мировой большой индустрии. Это подтверждают сделанные в 1994 г . разработки, считают эксперты. В результате создания новых технологий и повышения технического уровня продукции может быть преодолен барьер для внедрения фотоэлектрических систем, связанный с высокой их стоимостью. Так, по инициативе корпорации Енрон ведется разработка фотоэлектрической станции мощностью 100 МВт для строительства в Неваде, на которой стоимость вырабатываемой электроэнергии составит 5,5 цента/(кВт/ч). Основными технологическими решениями по использованию энергии являются: превращение солнечной энергии в электрическую и получение тепловой энергии для целей теплоснабжения зданий.

Прямое использование солнечной энергии в условиях Крыма, для выработки в настоящее время электроэнергии, требует больших капитальных вложений и дополнительных научно-технических проработок. В 1986 г . вблизи г.

Щелкино построена первая в мире солнечная электростанция (СЭС-5) мощностью 5 тыс. кВт. К 1994 г . она выработала около 2 млн. кВт. час электроэнергии.

Эксперимент с СЭС показал реальность преобразования солнечной энергии в электрическую, но стоимость отпускаемой электроэнергии оказалась слишком высокой, что в условиях рыночной экономики является малоперспективным.

Перспективность применения фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии обусловлено его максимальной экологической чистотой преобразования, значительным сроком службы фотоэлементов и малыми затратами на их обслуживание. При этом простота обслуживания, небольшая масса, высокая надежность и стабильность фотоэлектропреобразователей делает их привлекательными для широкого использования в Крыму.

Основными задачами по широкому внедрению фотоэлектрических источников питания являются: · разработка научно-технических решений по повышению КПД фотоэлементов; · -применение высокоэффективных фотоэлементов с использованием концентраторов солнечного излучения.

Геотермальная энергия. За прошедшие 15 лет производство электроэнергии на геотермальных электростанциях (ГеоТэс) в мире значительно выросло.

Работы по изучению геотермальных источников и созданию прогрессивных систем для извлечения и практического использования геотермальной энергии ведутся в Украине и многих зарубежных странах. В последние два десятилетия выполнялись обширные программы научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ в этом направлении.

Накоплен также определенный опыт создания и многолетней эксплуатации опытно-промышленных и промышленных геотермальных установок различного назначения.

Разработка и освоение интенсивных технологий извлечения теплоносителя и создания эффективных систем использования теплоты недр является главной научной и инженерно-технической проблемой энергетики. Без создания таких технологий и установок нельзя рассчитывать на широкомасштабное использование этого энергоисточника.

Энергия биомассы Большие возможности в собственном энергообеспечении сельскохозяйственных предприятий и экономии ТЭР заложены в использовании энергии отходов сельхозпроизводства и растительной биомассы. В сельскохозяйственном производстве в качестве источников тепла можно принять любые растительные отходы, непригодные для использования по прямому назначению или не нашедшие иного хозяйственного применения. За последнее время использование биомассы в различных ее формах (дерево, древесный уголь, отходы сельскохозяйственного производства и животных) в мире в целом снизилось.

Однако в развивающихся странах этот вид энергоресурсов составляет в среднем 20%. При этом в ряде стран Африки использование биомассы для энергетических целей равно примерна 60% общего энергопотребления, в азиатских странах- 40%, в странах Латинской Америки 0 до 30% и в ряде стран Европы, Ближнего Востока и Скверной Африки до 10%. В ряде стран использование древесного топлива, древесного угля и сельскохозяйственных отходов поставлено на коммерческую основу.

Следует отметить, что в сельских районах бывшего СССР доля использования древесного топлива весьма значительна и при переходе на новые энергоносители можно ожидать определенного роста самозаготовок.

Указанное особенно важно в странах с тропическим климатом и в крупных городах, где проблема ликвидации и одновременно энергетического использования отходов играет особенно важную роль. За прошедшие 10 дет только три страны – США, Дания и Швеция довели производство электроэнергии, но установках, использующих биомассу отходов до 400 МВт.

Значительное развитие получила переработка биомассы, основанная на процессах газификации, теролиза и получения жидких топлив.

Начиная с 1980 г . ежегодное производство этанола достигло, например, в Бразилии, 10 млн.л. При переработке биомассы в этанол образуются побочные продукты, прежде всего – промывочные воды и остатки перегонки.

Последние являются серьезным источником экологического загрязнения окружающей среды.

Представляют интерес технологии, которые позволяют в процессе очистки этих отходов получать минеральные вещества, используемые в химической промышленности, а также применять их для производства минеральных удобрений.

Теплотворная способность сжигания 1 т сухого вещества соломы эквивалентна 415 кг сырой нефти, теплотворность 1 кг пшеничной соломы и сухих кукурузных стеблей равна 15,5 МДж, соевой соломы - 14,9 , рисовой шелухи - 14,3 , подсолнечной лузги - 17, 2 МДж. По этому показателю растительные отходы полеводства приближаются к дровам - 14,6-15,9 МДж/кг и превосходят бурый уголь - 12,5 МДж/кг.

Получение промышленного биогаза растительного и животного происхождения возможно за счет их сбраживания (метанового брожения) с получением метана и обеззараженных органических удобрений.

Теплотворная способность 1 куб. м биогаза, состоящего из 50-80% метана и 20-50% углекислого газа, равна 10-24 МДж и эквивалентна 0,7- 0,8 кг условного топлива.

Проблемы утилизации твердых бытовых отходов (бытового мусора) остро стоят перед всеми странами. Выход мусора составляет 250- 700 кг на душу населения в год, увеличиваясь на 4-6% в год, опережая прирост населения.

Решение проблемы переработки мусора найдено в использовании технологии твердофазного сбраживания на обустроенных полигонах с получением биогаза. Эта технология самая дешевая, не оперирует с токсичными выбросами и стоками. В настоящее время в мире действуют десятки установок для получения биогаза из мусора с использованием его в основном для производства электроэнергии и тепла суммарно мощностью сотни МВт.

Решается вопрос возврата для использования под застройку земель после извлечения газа.

Создана модульная биоэнергетическая установка “КОБОС”. С ее помощью могут быть переработаны отходы фермы крупного рогатого скота на 400 голов и свинофермы на 3000 голов.

Комплекс оборудования обеспечивает подготовку, транспортировку, сбраживание навозной массы, сбор биогаза и управление процессом.

Биогаз частично сжигается в топках котлов, подогревающих техническую воду, частично подается в дизель-генератор.

Перебродившая навозная масса используется в качестве полноценного органоминерального удобрения. Выход биогаза составляет 500 м куб/сут. ВИЭСХом разработан анаэробный биофильтр, предназначенный для производства биогаза из сточных вод сельскохозяйственного производства и коммунального хозяйства, пищевой и микробиологической промышленности. В последние годы в связи с лавинообразным накоплением изношенных автомобильных шин, особенно в учетом ужесточения требований по их хранению (на ряде свалок возникли пожары (которые не удавалось потушить годами), активно развивается технология их сжигания.

Биогаз с высокой эффективностью может трансформироваться в другие виды энергии, при этом коэффициент его полезного использования в качестве топлива на газогенераторах может составлять до 83%. Производство биогаза в некоторых зарубежных странах уже заняло ведущее положение в энергетическом балансе сельскохозяйственного производства.

Волновая энергия.

Основной источник возобновляемой энергии – солнце.

Второй по величине – Мировой океан, являющийся одновременно и природным концентратором солнечной энергии. Формы аккумуляции энергии в океане разнообразны.

Энергетические источники океана имеют различные по потенциалу ресурсы.

Значительные энергетические возможности заключают в себе: тепловая энергия океана, течения и волны, приливы, перепады солености, биомасса.

Исследования дают основание сделать вывод, что волны в сравнении с другими возобновляемыми источниками энергии океана обладают довольно хорошими показателями, что позволит в будущем эффективно использовать их энергию.

Каждая волна моря, направляющаяся к берегу, несет с собой огромную энергию (например, волна высотой в 3 м несет около 90 кВт мощности на 1 м побережья). В настоящее время имеются реальные инженерные и технические возможности для эффективного преобразования волновой энергии в электрическую.

Однако надежные волноустановки пока не разработаны. Опыт использования волновых электростанций уже имеется и в СНГ, и в других странах мира. В перспективе энергию морских волн можно вовлечь в общий баланс энергетических ресурсов, используемых человеком в хозяйственной деятельности. Закон сохранения энергии Приращен и е потенциальной энергий брошенного вверх тела происходит за счет убыли его кинетической энерг и и; пр и п адении тела, п риращение кинетической энергии происход и т за счет убы ли п отенциальной энергии, так что полная механическая энергия тела не меняется.

Аналогично, если на тело действует сжатая пружина , то она может сообщить телу некото рую скорость, т. е. кинетическую энергию, но при этом пруж и на будет распрямляться, и ее потенциальная энергия с будет соответственно уменьшаться; сумма потенциальной и кинетической энергий останется постоянной. Если на тело, кроме пружины, действует е ще и сила тяжести, то хотя при движен и и тела энергия каждого вида будет изме няться, но сумма поте н циальной энергии тяготения, потен циальной энергии пружины и кинетической энергии тела опять-таки будет оставаться пост о янной.

Энергия может переходить из одного вида в другой, может переходить от одного тела к другому, но общий запас механической энергии остаётся неизменным . Опыты и теоретическ и е расчеты показывают, что при отсутствии сил трения и при во з дей с тв и и только сил упругости и тяго тения с у ммарная потенци а льная и кинетическая энер г ия тела или си стем ы тел остается в о всех случаях постоянно й . В этом и заключаетс я з акон сохранения механической энергии.

Проиллюстрируем закон сохра нения энергии на следующем опыте. Ст альной шарик, упавший с некоторой высоты на стальную или стеклянную плиту и ударившийся об неё, подскакивает почти на ту же в ысоту, с которой упал. Во время движе ни я шарика происходит целый р яд превраще н ий энергии. При падении потенц и альная э нергия переходит в кинетическую энергию шарика. Когда шарик прикоснется к плите, и он и плита начи н ают деформироваться.

Кинетическая энерг и я превращается в потенциальную энергию упругой деформации шарика и плиты, причем этот процесс продолжается до тех пор, пока шарик н е остановится, т. е. пока вся его кинетическая энергия не пере е дет в поте н циальную энергию упругой деформации. Затем под действием сил упругости деформированной плиты шарик приобретает скорость, направленную вверх: энергия упругой деформации плиты и шарика пре к ращается в , кинетическую энерг и ю шарика. При дал ь нейшем движе нии вверх скорость шарика под действием силы тяжести уменьшается, и кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию тяготения, В наивысшей точке шарик обладает снова только потенциальной энергией тяготения.

Поскольку можно считать, что шарик поднялся на ту же высоту, с которой он начал падать, потенциальная энергия шарика в начале и в ко н це описанного процесса одна и та же. Более , того, в любой момент времени при всех превращениях эн е ргии сумма потенциальной энергии тяготения, потенциальной энергии упругой деформации , и кинетической энергии все время остается одной и той же. Для процесса превращения потенциальной энерг и и, обусловленной силой тяжести, в кинетическую и обратно при падении и подъеме шарика это было показано простым расчетом. Можно было бы убедиться, что и при превращении кинетической энергии в потенциальную энергию упругой деформации плиты и шарика и затем при обратном процессе превращения этой энергии в кинетическую энергию отска кивающего шарика су м ма потенциальной энергии тяготения, энергии упругой деформации и кинетической энергии также остается неизменной, т. е. закон сохранения механической энергии выполнен.

Теперь мы можем объяснить, почему нарушалс я з акон сохранения работы в простой машине, котор ая деформировалась при передаче работы : дело в том, что работа, затраченная на одном конце машины, частично или полностью затрачивалась на деформацию самой простой машины (рычага, веревки и т.д.), создавая в ней некоторую потенциальную энергию деформации, и лишь остаток работы передавался на другой конец машины. В сумме же переданная работа вместе с энергией деформации оказывается равной затраченной работе. В случае абсолют н ой жесткости рычага, нерастяжимости веревки и т. д. простая машина не может накопить в себе энергию, и вся работа, произведенная на одном ее конце, полностью передается на другой к онец. Силы тре н ия и з ако н сохранения, механической энергии.

Присматриваясь к движению шарика, подпрыгивающего на плите, можн о об наружить , чт о после каждого удара шарик подн им ается на нескольк о ме н ьшую высоту, чем ран ьш е , т . е. полная энергия не остается в точности постоянной, а понемногу уб ы вает; это значит, что закон сохранения энергии в таком виде, как м ы е го сформулировали, со блюда ет ся в этом с лу чае только приближённо.

Причина заключаетс я в том, ч т о в э том оп ы т е возникают силы трения ; сопротивление в о зд у ха, в кот ор о м движется шарик, и внутренн ее трение в самом материале шарика и плиты.

Вообще, при нал ич ии трения закон сохра нения меха нич еско й энергии всегд а нарушается и полн а я энергия тел умень ш ается. З а счет этой у б ыли энергии и совершается работа против, сил тр е ния . Напри м ер, при падении тела с большой высоты скорость, вследствие действия возрастающих сил сопротивления сред ы , вскоре станов и тся постоянной ; кинетическая энергия тела перестает ме н яться, но его потенциальная энергия у м еньшается. Р а боту п роти в сил ы сопрот и вления воздуха совершает сила тяжест и за счет по тенц иа льн о й, энергии т ела . Хотя пр и этом и сообщается некотора я к ине тическая энергия окружающему в оздуху, но она меньше, чем убыль п отенциальной энергии тела, и, значит, суммар н ая меха ни че с кая энергия убывает.

Работа п ротив сил трения может совершаться и за счет кинетической энерг ии . Например, при движени и лодки, которую оттолкнули от берега п руда, потенц и альная с верг а я л о дки ост а етс я постоянной, но вследствие сопротив л ения воды уменьшается скорость дв и жения лодк и , т.е. ее кинети ч еская энергия, я приращение к инетической энергии воды, наблюдающееся при этом, меньше, чем убыль кинетической энергии лодки.

Подобн о это м у действ у ют и силы трения между тве р дыми телами. На пр име р , скорость, кот о рую приобретает груз, соскальзывающий с накло н ной плос к ости, а следовательно и его ки н етическая энергия, мен ь ше то й, кото р ую он при обрел бы отсутствие трения. Мож н о так подобрать угол наклона плоскости, что груз будет скользить равномерно. При этом его п отенц и альная энергия будет уб ывать, а Кинетическая - оста в аться постоянной, и работа против сил трения будет совершаться за счет потенциальной энергии. В природе вс е дв и жения (за исключением движений в вакууме, например, дв и жен и й н ебесных тел) с о п ровождаются трением.

Поэтому пр и таких дв и же н иях закон сохранения механической энерги и нарушается, и э то нарушение происходит всегда в одну сторону — в сторону уменьшения пол н о й эн ерги и . Всеобщий хар а ктер з а ко н а сохранения энергии. Силы трения занимают особое положение в во п росе о законе ее хранения механ и ч е ской энергии. Есл и сил трения нет, то з акон сохра н ения механической энерг ии соблюдает с я: полная механическая энерг и я системы остается постоянно й. Е сл и же действуют силы трения, то энергия уже н е остается по с тоянной, а убывает при движении. Н о при этом всегда растет внутренняя э н ергия. С развитием физик и обнаружи вались все новые в и д ы энергии: была обнаружена свет о вая энергия, энергия электромаг н итных волн, химическая энергия, проявляющаяся при химических реакциях (в качестве в ри мера до с тато чн о указать х о тя бы на х имичес к у ю энергию, з апасенную во взрывчатых веществах и превращающуюс я в механ и ческую и те п л о вую энергию при взрыве), н аконец была открыта ядерная энергия. Ока з алось, что совершае мая над телом работа равна приращени ю суммы всех вид ов э н ерги и тела ; работа же, совершаемая некоторым телом на , другим и телами, равна у б ыли суммарной энерг и и данно го тела . Для всех видов энергии оказалось, ч т о возможен переход энергии из одного вида в другой, переход энергии от од н ого тела к друг о му, но что при всех таких перехода ; общая э нергия всех видов остаемся все время строго постоянной. В этом заключается всеобщность закона сохранени я энергии. Хотя общее количество энергии остается постоянным количество полезной для нас эн е ргии может уменьшатьс я и в действительности постоянно уменьшается.