РОЗДІЛ 1. Джерела енергії

Енергія - грецьке слово, що означає в перекладі діяльність. У цей час енергія - одне з найчастіше обговорюваних понять, тому що крім свого основного фізичного змісту, воно має економічні, технічні, політичні й екологічні аспекти. Людству потрібна енергія, причому потреби в ній збільшуються з кожним роком. Разом з тим запаси традиційних природних палив (нафти, вугілля, газу й ін.) кінцеві. По оцінках фахівців, світові ресурси вугілля становлять 1S, а за неофіційним даними - ЗО трильйонів тонн, нафти - 300 мільярдів тонн, газу - 220 трильйонів кубометрів. Розвідані запаси вугілля становлять 1685 мільярдів тонн, нафти - 137 мільярдів тонн, газу - 142 трильйонів кубометрів. Існує точка зору, що при нинішньому рівні споживання енергії запасів вугілля вистачить приблизно на 270 років, нафти на 35-40 років, газу на S0 років. Не нескінченні також і запаси ядерного палива - урану й торію, з якого можна одержувати плутоній, необхідний для роботи атомних станцій. Практично невичерпні запаси термоядерного палива - водню, однак керовані термоядерні реакції поки не освоєні й невідомо, коли вони будуть використані для промислового одержання енергії в чистому виді, тобто без участі в цьому процесі реакторів розподілу. Залишаються два шляхи: економія при витраті енергоресурсів і використання нових, нетрадиційних поновлюваних джерел енергії. Даний курс лекцій є коротким оглядом сучасного стану енергоресурсів людства. Аналіз існуючих видів джерел енергії їх еволюція, а також проблеми освоєння й використання нових ресурсів енергії (альтернативні або не традиційних джерела енергії). Ціль курсу лекцій: ознайомлення із сучасним станом справ у цій широкій області, пошук нових шляхів одержання практично корисних форм енергії. До не традиційних джерел енергії, які ми будемо розглядати у першу чергу ставляться: сонячна й геотермальна енергія, приливна, атомна, енергія вітру й енергія хвиль. На відміну від викопних палив ці форми енергії не обмежені геологічно накопиченими запасами (якщо атомну енергію розглядати разом з термоядерної). Це означає, що їх використання б споживання не веде до неминучого вичерпання запасів.

Проблеми, пов'язані з походженням, економічністю, технічним освоєнням і способами використання різних джерел енергії, були й будуть невід'ємною частиною життя на нашій планеті. Прямо або побічно з ними зустрічається кожний житель Землі. Розуміння принципів виробництва й споживання енергії становить необхідну передумову для успішного розв'язку, що здобувають усе більшу гостроту проблем сучасності й у ще більшому ступені - найближчого майбутнього. Якщо наприкінці позаминулого століття найпоширеніша зараз енергія • електрична - відіграла, загалом, допоміжну й незначну роль у світовому балансі, то вже в 1930 році у світі було зроблено близько 300 мільярдів кіловат-годин електроенергії. В 2000 році було зроблено 40 тисяч мільярдів кіловат-годин. І однаково енергії не достатньо, а потреби в ній ростуть. Рівень матеріальної, а в остаточному підсумку, і духовної культури людей перебуває в прямої залежності від кількості енергії, наявної в їхнім розпорядженні. Щоб добути руду, виплавити з неї метал, побудувати будинок, зробити будь-яку річ, потрібно витратити енергію. А потреби людини увесь час ростуть, та й людей стає усе більше. Народження енергетики відбулося кілька мільйонів років тому, коли люди навчилися використовувати вогонь. Вогонь давав їм тепло й світло, був джерелом натхнення й оптимізму, зброєю проти ворогів і диких звірів, лікувальним засобом, помічником у землеробстві, консервантом продуктів, технологічним засобом і т.д. Протягом багатьох років вогонь підтримувався шляхом спалювання рослинних енергоносіїв (деревини, чагарників, очерету, трави, сухих водоростей і т.п.), а потім була виявлена можливість використовувати для підтримки вогню викопні речовини: кам'яне вугілля, нафта, сланці, торф. Зараз відомо, що деревина - це акумульована за допомогою фотосинтезу сонячна енергія. При згорянні кожного кілограма сухої деревини виділяється близько 20 000 кДж тепла. Як ви знаєте ця величина називається теплотою згоряння. Нагадаємо також, що теплота згоряння бурого кута рівна приблизно 13000 кДж/кг, антрациту 25000 кДж/кг, нафти й нафтопродуктів 42000 кДж/кг, а природного газу 45000 кДж/кг. Найвищою теплотою згоряння має водень -120000 кДж/кг. У фізиці терміном "енергія" позначають єдиний захід різних форм руху матерії. Енергію можна одержати при згорянні 1 кг вугілля або 1 кг нафти, які називаються енергоносіями. Закони фізики затверджують: та робота, яку можна одержати в реальних машинах і використовувати на наші потреби, буде завжди менше енергії, укладеної в енергоносії. Енергія - це, по суті справи, енергетичний потенціал (або просто потенціал), а робота - це та частина потенціалу, яка дає корисний ефект. Різницю між енергією й роботою називають дисипованою (розсіяною) енергією. Таким чином, робота відбувається в процесі перетворення одних видів енергії в інші й характеризує корисну її частину, отриману в процесі такого перетворення. Неуважна в процесі здійснення роботи енергія незмінно перетворюється в тепло, яке повідомляється навколишньому простору. Оскільки процеси перетворення одних видів енергії в інші нескінченні, будь- яка робота, зрештою, переходить у тепло, тобто знецінюється. Це означає, що чим більше людство добуває вугілля, нафти й інших енергоресурсів, тим більше воно в остаточному підсумку нагріває навколишнє середовище. Із цього погляду важливою причиною необхідності освоєння альтернативних джерел енергії є проблема глобального потепління. Суть її полягає в тому, що двоокис вуглецю (СО2), що вивільняється при спалюванні вугілля, нафти й бензину в процесі одержання тепла, електроенергії й забезпечення роботи транспортних засобів, поглинає теплове випромінювання поверхні нашої планети, нагрітої Сонцем і створює так званий парниковий ефект. Прогноз росту потреби в енергії найчастіше зв'язують із ростом чисельності населення Землі. При цьому припускають, що на кожного жителя рівень отриманої енергії буде також збільшуватися. 15 липня 1987 року чисельність населення Землі перейшла 5- мільярдний рубіж (прогнози 1975 року затверджували, що це відбудеться тільки після 1990 року!). В 2000 році населення становило більш 6 млрд, людей, а на кожного жителя приходиться у рік у середньому близько 29 МВт•год одержуваної енергії, у той час як загальний річна потреба в ній становила 20- 200 млрд. МВт•год.

У цей час висуваються безліч різних ідей і пропозицій по використанню всіляких поновлюваних видів енергії. Розробка деяких проектів ще тільки починається. Так, висувалися пропозиції по використанню енергії розкладання атомних часток, штучних смерчів, енергії блискавки й навіть гравітації. У даному курсі лекцій ми розглянемо найбільш перспективні “нетрадиційні” джерела енергії.