«Оглянись на себя, оцени сделанный шаг, загляни в будущее…» Б.Коммонер
«Ничто не дается даром».
«На протяжении тысячелетий человечество приспосабливалось к окружающей среде и приспосабливало ее к своим нуждам. Взаимоотношения человечества и биосферы, как однажды остроумно заметил Станислав Лемм, чем-то напоминают взаимоотношения хозяина и паразита. Чрезвычайно эффективное использование паразитом ресурсов хозяина неизбежно приведет к гибели и хозяина – биосферы, и его паразита - человечества. Может быть, не к гибели биосферы, но к такому изменению ее характеристик, которое сделает дальнейшее существование человечества невозможным». Н.Н.Моисеев
«Без энергии невозможно существование физического мира, а раз это так, то мы не можем представить себе развитие без изменения масштабов или характера энергетических потоков. И ввиду того, что энергия имеет стиль фундаментальное значение, каждое из этих изменений влечет экологические последствия». Эколог Д.Брукс
1.Введение Мы сейчас живем в период бурно развивающейся мировой экономики, которая требует все больших энергетических затрат, непрерывного роста энерговооруженности хозяйства стран мира, повышения доли механизации и автоматизации производства. Традиционные энергоресурсы, уголь, нефть, природный газ истощаются. Открытие и освоение новых месторождений стоят дорого и требуют немало времени, т.к. приходится осваивать залежи с морских и океанических глубин, в местах с экстремальными условиями жизни: тундра, заполярье, о. Гренландия, другие острова Северно-Ледовитого океана, недоступные горы, труднопроходимые чащобы. Строительство промышленных предприятий, развитие автомобильного транспорта, получение новых синтетических веществ, создание эффективных систем орошения все больше вовлекают в промышленный оборот различные энергоносители, оставляя после себя высокие горы пустой породы, огромные пустоты под землей, отчужденные земли, когда-то плодородных сельскохозяйственных угодий, изуродованные ландшафты открытой добычи руд и угля, обедненные рыбами рек с просевшими берегами от тяжести плотин гидроэлектростанций, ставя человечество под угрозой гибели в результате экологических катастроф. Угроза энергетического кризиса вполне реально. Экономику стран без конца лихорадит энергетическая нестабильность, вызванная резким подорожанием нефти на мировом рынке. Ведь уровень жизни прямо связан с количеством энергии, приходящейся на душу населения. На сегодняшний день положение в области энергетики в мире можно охарактеризовать следующими факторами: 1)Запасы ископаемого топлива ограничены, доступные для человечества месторождения классического топлива исчерпывают себя: по подсчетам специалистов, при современных объемах энергопотребления разведанных запасов топлива на Земле хватит на 150 лет, в частности нефти на 35 лет, природного газа – на 50 лет, угля – на 425 лет. А что дальше? 2)Атомная энергия, которая совсем недавно казалась выгодно доступной в любых количествах, сегодня признана экологически опасной (опасны ее производство и отходы). По прогнозам ученых, атомная энергетика еще долго не займет ведущего места в мировой энергетике. 3)Доля исследований, связанных с созданием новых энергетических проектов, внедрение которых не загрязняло бы окружающую среду, увеличивается. Это использование альтернативных источников энергии: энергии Солнца, энергии ветра, энергии приливов и отливов, утилизация отходов производства, которая даст дополнительные виды топлива, транспортировка энергии в виде водорода. Сложившаяся ныне ситуация в мире такова, что проблемы энергетики тесно переплетаются с проблемами экологического составления биосферы.
2. «Энергетика будущего» Рассмотрим возможности каждого из альтернативных источников энергии:
2.1 Использование энергии атома. Существует принципиально три способа извлечения энергии, заключенной в атоме. 1. - это цепное деление ядер. В этом процессе используется изотоп урана 235U, но его всего лишь 0,7% в общей массе урана Земли, оцениваемый в 1,3• 1014 т металла. Таким образом, запасы этого активного изотопа невелики, при интенсивном использовании довольно быстро истощается. … Цепная реакция деления ядер 2. - это воспроизводство ядерного топлива (реакция размножения). Изотоп 238U не способен к делению при захвате нейтронов. На его долю приходится 99,3% всего урана планеты. Следовательно, надо 238U превратить в 235U. … Схема реакции размножения Но технологическая схема процесса превращения урана-238 в уран-235 не разработана (кстати, такого урана хватило бы на несколько столетий). Для этих способов извлечения энергии, заключенной в атоме, существует отрицательный момент – проблема захоронения радиоактивных отходов. Их, в свое время, предлагали даже отправлять на орбиту вокруг Солнца. Другим серьезным возражением против создания ядерных реакторов является возможность экологических катастроф при их эксплуатации, что уже показала Чернобыльская АЭС. 3. – этот способ заключается в использовании дейтерия 11D – изотопа атома водорода 0Н. Его запасов в океане хватит на миллионы лет, здесь нет радиоактивных отходов. Однако эта идея мало пока маловероятна в силу своей дороговизны, а также создания для «затравки», т.е. начала процесса очень высокой температуры tº≈108 ºC. + + + Q D D 2He + + + Q D T 2He Схема реакции термоядерного синтеза D – дейтерий, Т – тритий, Не – гелий, Q – теплота. Таким образом, успехи в области ядерной энергетики не так уж велики, как хотелось бы.
2.2 Использование энергии Солнца. Самое главное, что стоимость извлекаемой энергии Солнца постоянно снижается. Солнце поставляет на нашу планету ≈ 7∙1017 Вт энергии электромагнитного излучения. Даже 1% площади планеты, покрытой солнечными батареями, может собрать 1011 кВт энергии, в то время как всего в мире используется 10 кВт. В настоящее время доступны следующие методы преобразования энергии Солнца: 1) Использование фотогальванических элементов (ФГЭ).Они превращают солнечный свет в электрический. Себестоимость этой электроэнергии составляет 30 центов США за 1 кВт/ч. Такие батареи служат 30 лет. 2) Использование термоустановки (зеркальные гелиоконцентраторы). Эти системы преобразуют солнечную энергию в тепловую. Себестоимость этой энергии еще ниже: 1-8 центов США за 1кВт. Эта система следит за Солнцем с помощью зеркал, которые фокусируют его лучи и собирают их энергию, чтобы довести до кипения воду, а еще лучше аммиак NH3. 3) Использование ФГЭ на искусственных спутниках Земли, т.к. в космосе нет поглощения, характерного для земной атмосферы. На 1 м2 поверхности искусственного спутника солнечной энергии попадает гораздо больше, чем на 1 м2 Земли. Там нет облачности, нет ночи. Поэтому ФГЭ предполагают размещать на специальных платформах, вращающихся вокруг Земли по спутниковым орбитам. Схема космической гелиостанции: 1.-передающая антенна; 2.- солнечные коллекторы (типа ФГЭ); 3.-орбита гелиостанции; 4.-микроволновые лучи; 5.-принимающая антенна на Земле Проект этот фантастичен, однако усовершенствование космической техники рано или поздно приведет к его реализации как чрезвычайно перспективного. 4) Генератор океан – Солнце. Работа этого генератора тоже находится в стадии модели, и основана на использовании разности температур в океане для выработки энергии. Поверхность воды в тропиках прогревается до tº = 20-25ºC, а на глубине1-2 км - tº=5ºC. Остается только создать конструкцию с непрерывным рабочим циклом типа тепловой машины, где аммиак мог бы поочередно конденсироваться в нижней части агрегата (глубоководной) и кипеть в верхней. Энергия Солнца экологически чистая.
2.3 Производство биоэнергетики. Энергию можно получать из растительной биомассы. Об этом люди знали давно, с тех пор как стали разжигать костры – потом они научились превращать тепло в механическую или электрическую энергию. Рассмотрим несколько способов производства энергии при помощи растений и микроорганизмов. 1. Получение биогаза. Процесс осуществляют бактерии в три стадии: Первая стадия – растворение и гидролиз органических веществ до пропионовой, масляной и молочной кислот: Сх НуОz + Н2О Вторая стадия заключается в действии уксусных бактерий: R – СООН СН3-СООН + СО2 + Н2 карбоновые кислоты бактерии уксусная кислота Третья стадия – образование метана(65%) и СО2 (30%) В этом способе используются сельскохозяйственные отходы и экскременты животных, канализационные и промышленные стоки. Этот биогаз получают в специальных реакторах – дайджестерах в Китае, Индии, Филиппинах. 2. Получение этанола, который можно использовать в качестве альтернативного топлива в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в безводном виде или в смеси с бензином, что хорошо зарекомендовала смесь, используемая бразильцами за неимением своей нефти. Этанол получают с помощью микроорганизмов в результате спиртового брожения сахаридов ( крахмала, инулина, целлюлозы, сахарозы, извлекаемой из сельскохозяйственной продукции : свекла, сорго, тростник, маниок, кукуруза, картофель, зерновые): ( С6Н10О5)n + nН2О nС6Н12О6 крахмал глюкоза С6Н12О6 2С2Н5ОН + 2СО2 дрожжи этанол Наряду с этанолом образуется метанол, ацетон, бутанол. С 80-х годов XX столетия во Франции 10% чистого бензина заменяли смесью спиртов. Использование такого вида топлива для транспорта не только экономит нефть, но носит экологически чистый характер: выхлопные газы такого топлива содержат углекислый газ СО2 и воду Н2О. 3. Получение углеводородов с помощью микроорганизмов. Некоторые одноклеточные водоросли содержат в своем составе 15-75% высших линейных алкенов, у которых n=25-38. Эта технология получения углеводородов из водорослей была разработана во Франции и США. Их можно использовать в качестве сырья для нефтехимической промышленности. Некоторые сине-зеленые водоросли на свету продуцируют водород. Экологи водороду сулят роль самого экологически чистого топлива будущего.
2.4 Водородная энергетика. Если ископаемое топливо заменить на водород, то никаких загрязнений окружающей среды не произойдет. Именно этот тезис положен в основу водородной энергетики. В форме водорода экономичнее всего осуществлять передачу энергии на большие расстояния. Наконец, водород – самый распространенный элемент во Вселенной. На Земле запасы его практически неисчерпаемы. Водород может применяться в качестве топлива для самолетов и части наземного транспорта. В автомобилях водород можно использовать непосредственно для работы двигателей внутреннего сгорания. Теплотворная способность водорода выше, чем у других видов топлива: Н2 + ½ О2 → Н2О + 285,8 кДж Даже если водород будет сгорать не полностью, и то это не будет приводить к загрязнению атмосферы. Как водород можно получить в больших количествах? 1) Синтез Боша: С (кокс) + Н2О → СО + Н2 , но кокс (уголь) – это ограниченный ресурс, поэтому в дальнейшем этот способ не рентабелен. 2) Термораспад воды – тоже нерентабельный процесс, но причина другая – выход Н2 равен 1% при Т=2000 К. 3) Самый дешевый способ получения водорода из природного газа: а) СН4 С + 2Н2 метан сажа б) СН4 + Н2О CО +3Н2 метан пар в) 2СН4 + О2 катализатор СО + 4Н2 но опять же природный газ – природный ресурс, имеющий тенденцию к исчерпыванию запасов. 4) Крекинг и риформинг углеводородов. Водород получают как побочный продукт при переработке нефти. 5) Электрохимический метод; когда осуществляют электролиз воды: 2Н2О → 2Н2 ↑ + О2↑ электролит или как побочный продукт, получаемый при электролизе водного раствора хлорида натрия NaCl: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH +H2 + Cl2 на аноде на катоде Но при таком способе получения водорода тратится много электричества! 6) Электролиз водяного пара: сначала кажется, что это нереально, когда при t˚= 600-900˚C разложить пары воды на Н2 и О2. Однако опыты по созданию высокотемпературных топливных элементов были успешно реализованы.
3.Заключение Итак, изучив альтернативные источники энергии, которые могли бы не столько сэкономить нефть, газ, уголь, но сделать окружающую среду чище, радостнее, цветущее, мы пришли к выводу, что, взглянув в будущее, 1)водородная энергетика наиболее приемлима по сравнению с энергетическими системами, использующими ископаемое топливо, с точки зрения биосферы; 2) наиболее перспективной в будущем представляется эксплуатация энергетических систем типа Солнце – водород (в сочетании с ФГЭ) или энергия ветра и сил гравитации; 3) ядерные установки в ближайшем будущем лишь как вспомогательные источники энергии для синтеза Н2 , потому что «… не природе нужна защита. Это нам необходимо ее покровительство: чистый воздух, чтобы дышать, кристальная вода, чтобы пить, вся Природа, чтобы жить». (Н.Ф.Реймерс).
