Что является основным источником энергии на земле

Энергия: откуда взять?

Давайте немного порассуждаем об энергии. Уверяю, что это будет интересно — особенно, если вы хотите понимать, откуда берутся все блага нашей цивилизации.

ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА — основной источник энергии на Земле. Его мощность характеризуется солнечной постоянной — количеством энергии, проходящей через площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам. На расстоянии в одну астрономическую единицу (то есть на орбите Земли) эта постоянная равна приблизительно 1,37 кВт/м². Проходя сквозь атмосферу Земли, солнечное излучение теряет в энергии примерно 370 Вт/м², и до земной поверхности доходит только 1000 Вт/м². Это, по-прежнему, огромное количество энергии!

Но не будем рассуждать про экватор, давайте посмотрим, что происходит в Москве.

● Итак, средняя энергия солнца для Москвы (инсоляция) в год составляет 297 МДж на м кв. Максимальная в июне – 615, минимальная в декабре – 31 (в 20 раз меньше!)

● Средняя квадратичная скорость ветра – 2,5 м/с (метеоданные)

● Средняя квадратичная скорость вод рек – 1м/с (данные по гидроресурсам)

Теперь с помощью известных формул переведем эти значения в электроэнергию.

, где — средняя энергия источника (солнце, вода, ветер), — КПД установки (солнечной панели, усредненного ветрогенератора и бесплотинной ГЭС соответственно).

● СОЛНЦЕ– 44,55 МДж/м. кв./год (КПД прямого преобразования 15%*)
● ВЕТЕР – 0,07 МДж/м кв. /год (КПД преобразования порядка 35%*)
● ВОДА – 2,65 МДж/м кв. /год (КПД преобразования порядка 40%*)
*Данные КПД брались из разных источников по характеристикам представленного на рынке оборудования.

Значения кажутся вполне достойными, но, все же, сложно оцениваемыми. Давайте попробуем по другому.

Среднее потребление электроэнергии на взрослого человека для обеспечения его пищей, работой, жильем, комфортом и всем, что в него входит, составляет примерно 1940 кВт*ч электроэнергии в год (данные из статистики по мировому энергопотреблению). Не трудно подсчитать, что, чтобы нам жилось хорошо, нам потребуется:

● 13,9 м. кв. СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ (КПД — 15%, 2кВт — 160000р только на панели), но если вспомнить, что зимой инсоляция значительно меньше, то в Москве нам для этого понадобится 26,6м.кв. солнечных панелей. И нельзя забывать про проблему аккумуляции энергии, которая тоже очень остра.

● Если говорить про ВОДУ, то это значение будет аналогично 2800 м.кв. сечения рек (без плотин)

● А про ВЕТЕР и рассуждать не хочется — 11,29 га площади ветряков!

Этот расчет является прикидочным, безусловно есть чуть более эффективные решения и чуть менее, но среднем борьба производителей установок идет за проценты КПД.

Не сложно представить, как трудно в центральной России перейти на использование только альтернативных источников энергии. Глядя на эти цифры начинаешь задумываться, а нужна ли вообще альтернативная энергетика?

Безусловно нужна! Но вот только только какая? Для этого нужно подробно разобраться, как распределяется энергия по земной поверхности, как мы ее используем и как ее аккумулируем.

Итак, давайте теперь посмотрим на энергию солнца немного с другой стороны.

На Землю падает колоссальное количество энергии. Распределяется она следующим образом:

1. Отражение от атмосферы и облаков
2. Нагрев земной поверхности
2.1. Нагрев суши
2.2. Нагрев вод

3. Рассеивание энергии в верхних слоях атмосферы.

Что же мы можем использовать:

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ПЕРВОГО ПОРЯДКА — прямое преобразование света в электроэнергию. Главный и очевидный минус — огромные площади солнечных панелей. Но давайте к цифрам:

● Средний атомный реактор вырабатывает порядка 1ГВт электроэнергии. Сколько нужно солнечных панелей, что бы выработать столько же энергии? Переведем мощность в энергию, чтобы было понятно. 1ГВт это 86400ГДж энергии в день или 31536000ГДж в год.

● Чтобы России отказаться от атомной энергетики понадобится порядка 1152 км кв. Солнечных панелей или порядка 11 триллионов рублей (только на панели). Согласитесь, многовато. Есть еще один момент — а что будет с этими 1152 км кв площади? Каков экологический след подобного количества панелей. И не забывайте, что через 15 лет они потеряют 30% своей мощности.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА — она используется повсеместно — это ГЭС. Т.е. солнце испаряет воду — далее реки — далее ГЭС. Здесь все понятно: чтобы сконцентрировать энергию до эффективного максимума строят высокие плотины, нарушающие водобаланс, затопляющие территории, нарушающие экосистемы.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА — солнце нагревает поверхность планеты — поверхность передает тепло воздуху — воздух ветровым энергоустановкам (ВЭУ). Не сложно догадаться, что такое количество посредников размазывает энергию солнца еще больше. И не в многих местах Земли она сконцентрирована настолько, чтобы быть пойманной. А последствия использования ВЭУ всё те же — нарушение экосистем, инфразвук и пр.

Т.е. получается, что энергия в природе очень рассеяна. Вроде ее много (как например алюминия), но добыть ее не просто. А как только человек пытается сконцентрировать энергию — он нарушает естественное состояние природы, что приводит к эко-катастрофам.

Таким образом, даже применение альтернативных источников энергии приведет к нарушению локальных экосистем и, как следствие, к нарушению глобальных экосистем. Даже альтернативная энергетика противоестественна природе, так как она занимается тем же самым, что и другие виды энергетики, создает локальную концентрацию, а следовательно усиленную нагрузку на экосистему. Так что же делать? Возвращаться в каменный век?

Давайте попробуем разобраться, для чего нам энегрия.

Потребности у всех людей разные. Одни довольствуются малым, другие жаждут роскоши. Но человек, как биологический вид, в целом подчинен всем законам экологии. Разница лишь в том, что у нас планка выживаемости имеет огромный разброс. Этот разброс связан с тем, что мы умеем добывать и эксплуатировать энергию. Как энергия определяет нашу жизнь?

Давайте предположим, что уровень нашей энергетической потребности легко измеряем. И как ориентир возьмем российскую потребительскую корзину и переведем все, что в нее входит (тепло, электричество, питание, транспорт) в энергию. Обозначим это N. Так вот, если мы вдруг начнем питаться исключительно растительной пищей, которую вырастили сами, никуда не ездить, не использовать современные технологии и вообще жить жизнью русской деревни XVI века, мы потратим около 0,05N. А если решим питаться омарами, летать на самолете, жить в шикарном доме — это обойдется нам в 10-100N.

Все новое, что нас окружает, все развлечения и 8 часовой рабочий день — все это стало возможно только из-за обилия энергии. В природе существует универсальный закон: «если в замкнутую систему поставлять энергию, структура системы усложняется, а степень хаоса (энтропия) падает». Вся человеческая цивилизация тому подтверждение.

Правда, мы несколько извратили закон создав эквивалент энергии — деньги. И кто бы что не говорил о неподтвержденности денежных банкнот, на самом деле они подтверждаются энергией. Т. е. краеугольным камнем уровня жизни (обеспеченности) человечества является добыча и распределение энергии. Регулирование же энергетических потоков осуществляется за счет рынка — эквивалента энергосистемы цивилизации.

Именно поэтому индивидуальные источники энергии крайне невыгодны с политической точки зрения. Но потребность в них существует. Так как добыть энергию для себя?

Итак, на основании законов экологи и распространения энергии в экосистемах можно сделать следующие выводы:

1. Разнообразие видов и развитие экосистемы напрямую зависит от поступления энергии, но согласно закону минимума может не являться ограничивающим фактором развития экосистем. Т.е. экосистема способна взять столько энергии, на сколько ей позволяют это сделать другие условия. Хорошим примером является поле — для поля ограничением является наличие микроэлементов в почве, поэтому удобрения или правильный видовой состав значительно повышают биомассу.

2. Человек может извлечь часть энергии из экосистемы без вреда для нее.

3. Самым пагубным для экосистемы является уменьшение видового состава, так как это приводит к потере устойчивости.

Таким образом, задача человека одна — не навреди. Т.е. можно использовать только то, что не нарушает энергетического, информационного и вещественного баланса экосистем. Это очень общие выводы. Теперь вернемся теперь к энергетике.

Россияне потребляют около 5000 кг нефтяного эквивалента энергии. Если пересчитать на биомассу (среднее значение 10МДж против 41МДж у нефти) получится 20500кг. Много это или мало? По статистике, в средней полосе собирают (если выращивать специально, например кустарник), порядка 5000-7000кг/Га биомассы. Таким образом, на человека понадобится 3-4Га площади. Или (с учетом, что нас 143млн.) нам понадобится 572млн Га, или 5720000 Км.кв. Или 33% процента территории. Абсолютно ясно, что это не выход. Однако, если немного задуматься, то не всё так печально:

1. Энергопотери составляют 11,5%
2. 19% Энергии дают ГЭС
3. 15% Энергии дают АЭС
4. 20% Энергии тратится неэффективно (на обогрев зданий со слабой тепловой защитой, освещение и т.д.)

Т.е. это уже 15% площади. Но, все-таки, не будем уходить в крайности и оставим только то, что тратит человек (транспорт, пища, жилье) — а это всего 20-25% общих энергозатрат. Т.е. 10%территории нам достаточно, что бы запасти энергию солнца в зеленой массе. При этом, абсолютно понятно, что глупо строить ТЭЦ, работающую на дровах. А что если сделать мини-установку, работающую на дровах и дающую тепло и свет?

К чему все это? Чтобы жить в гармонии с планетой нам надо:

1. Использовать только ту энергию, которая запасается каждый год в биомассе, а не расходовать ту, что была запасена миллионами лет (нефть, газ, уголь).

2. Использовать только ту биомассу, которую можно реализовать в рамках увеличения производительности экосистем (капельный полив в пустыне, применение зольных удобрений — сохранение баланса микроэлементов и т.д.).

3. Способствовать развитию экосистем для увеличения их производительности.

4. Использовать альтернативные источники энергии там, где это наиболее эффективно, но не вредит экосистемам.

5. Ждать, когда решат вопрос с термоядерным синтезом.

А если совсем практически: средняя производительность пшеницы по надземной биомассе: 13000кг, Т.е. нам хватит двух гектар, чтобы себя обеспечить и теплом, и электричеством, только придется немного потрудится, что бы собрать это добро, а потом не забыть вернуть природе золу.
Безусловно, это не решение проблем всей энергетики в целом, но правильное отношение к биологической материи, как к универсальному аккумулятору и источнику энергии, дает возможность человеку не просто тратить то, что запасено годами, но и взращивать и укреплять то, что дается сейчас.

Источник

Энергетика от мха до плазмы

Откуда вообще взялась энергия во Вселенной и что она значит для нас?

История энергии началась в момент Большого Взрыва. Возможно, в один момент появилось два связанных между собой понятия: энергия и пространство-время. Возможно, энергия являлась первопричиной всего в нашем мире, с этим ещё предстоит разобраться, но сейчас уже точно ясно одно: энергия является сутью физической формы материи, всё во Вселенной является сосредоточением той или иной формы энергии. Теория расширения ранней Вселенной намекает нам на то, что изначально все вещество являлось однородной изотропной средой, в процессе расширения которого произошло остывание и “конденсация” всех известных науке элементарных частиц. Появилось 4 фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.

Через много-много лет после Большого Взрыва, когда люди только начали применять энергию, никто не знал про 4 фундаментальных взаимодействия. Изначально люди грели себя и готовили пищу с помощью химических реакций горения. Так продолжается и по сей день, основным источником энергии для нас сегодня является электричество, вырабатываемое на всевозможных ТЭС(тепловая электростанция) и ТЭЦ(теплоэлектроцентраль).

Почему современная энергетика неэффективна?

Давайте отбросим понятие энергии на второй план и подумаем: какие способы добычи энергии сегодня известны?

Почти вся используемая энергия досталась нам благодаря Солнцу, просто в разных видах. Растения тысячелетиями накапливали энергию солнца, росли и погибали, образовывали нефть, природный газ и уголь. Сама Земля, ее вода и атмосфера существуют из-за Солнца. Необходимо более универсальное решение проблемы эффективности добычи энергии.

Достаточно посмотреть на эту диаграмму, чтобы понять, что человечество не очень то и далеко ушло от своих предков, которые просто жгли древесину, мох и уголь:

Рисунок 1. Изменение глобального потребления энергии по видам источников

Получается, что за 200 лет люди ничего толком не изменили в энергетике, лишь нарастили темпы преобразования и добычи энергии:

Рисунок 2. Потребление энергии по видам ее источников в 2019 году

Мало того, что добыча энергии таким способом не так эффективна по сравнению с энергией, которую мы научились извлекать альтернативными методами, так еще и большой вопрос в том, больше ли пользы мы получаем от такой энергии, чем вреда. Для количественной оценки этого заявления давайте посмотрим на статистику.

Энергия в человеческом эквиваленте

За 70 лет существования атомной энергетики зафиксировано только 33 серьезных происшествия. Несмотря на это, есть очень много скептически настроенных людей и даже организаций, которые выступают за отмену строительства АЭС. Давайте взглянем на цифры:

Из-за Чернобыльской аварии напрямую погиб 31 человек. Из-за последствий По самой пессимистичной статистике от «European green party» кол-во смертей к 2065 году приблизится к 60 тыс, но ученые склоняются к цифрам намного меньше этой.

WHO считает, что цифра вырастет только до 4 тыс. Это самая серьезная радиационная авария за всю историю энергетики, намного превосходящая по последствиям все остальные.

Авария на Фукусиме, которая является второй по масштабу радиационной аварией в мире, привела к 573 смертям, но эта цифра отличается от количества смертей в Чернобыле тем, что это не последствия радиации, а смерти напрямую не связанные с инцидентом, а связанные, например, со стрессом эвакуации, из-за которого в основном пострадало пожилое население. От радиационного загрязнения по самым пессимистичным подсчетам погибнет до 1000 человек.

Конечно, нельзя делать вывод о серьезности аварии только на основании количества погибших, ведь здесь не учтены экономические последствия и число онкозаболеваний и всевозможных вредных мутаций. Эти заболевания, даже если не приводят к смерти, также являются последствиями ядерных аварий. Сейчас проводится исследований по воздействию малых доз радиации на организм. Если раньше склонялись к безвредности малых доз радиации (типа организм может до определенного уровня облучения самовосстанавливаться без последствий), то сейчас есть больше доказательств «беспорогового» воздействия радиации, т.е. даже самая малая доза наносит вред. Но однозначного ответа здесь пока нет.

А теперь, сравним эти происшествия с авариями на других типах электростанций.

Аварии на ГЭС или на солнечной станции не выбросят в атмосферу гигантское количество радиационных частиц, на избавление от которых уйдет очень много денег и сил, но вспомним наводнение Баньцяо. Крушение дамбы вызвало затопление ближайших поселений, количество смертей от инцидента + от вызванного голода и нищеты составило 80-240 тысяч смертей.

Но даже такие большие цифры меркнут по сравнению со смертями от «ископаемого топлива». Газы, выделяющиеся при его сгорании, попадают в атмосферу и в наши легкие, а это, в свою очередь, вызывает многие распространенные заболевания: рак легких, сердечные заболевания, острая инфекция нижних дыхательных путей, инсульт и подобное.

Рисунок 3. Подсчет количества смертей и парниковых газов в год на каждый тераватт в час выработанной энергии от разных видов энергетики

Атомная энергетика и ее проблемы

Топливо для реактора изготавливается в виде таблеток, высотой и диаметром около сантиметра, из которых в дальнейшем собирают тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ). В одном ТВЭЛе может помещаться несколько сотен топливных таблеток, длина его как правило 3.5-4 метра. Затем их собирают в тепловыделяющие сборки (ТВС). Это основной функциональный элемент АЭС: из них формируется активная зона реактора.

Рисунок 4. Схема и принцип работы реактора на примере реактора на быстрых нейтронах.

В одной ТВС в зависимости от типа реактора (об этом мы поговорим позже) находится от нескольких десятков до нескольких сотен (около 300 для современных реакторов типа ВВЭР) ТВЭЛов, а в активную зону обычно помещается от нескольких сотен до полутора тысяч ТВС. Получается, что весь реактор имеет несколько миллионов таблеток с топливом внутри, и это при том, что один грамм урана содержит в себе столько же энергии, сколько 3-4 тонны угля.

В ТВЭЛах происходит цепная реакция деления топлива. Один из ее видов: уран распадается на осколки деления (уран-235 распадается на барий-139 и криптон-95, например) плюс один или несколько нейтронов (и гамма излучение), которые в дальнейшем сталкиваются с другими атомами урана-235. Изначально уран находится в состоянии с некоторой энергией покоя, и для перехода в возбужденное состояние с последующим радиоактивным распадом требуется дополнительная энергия, с помощью которой возможно преодолеть энергетический барьер и разделиться. В нашем случае этой энергией является нейтрон (тепловой нейтрон), который, сталкиваясь с ядром, передает ему свою кинетическую энергию. Ядро делится и выделяет еще несколько нейтронов (в среднем одно ядро урана-235 при распаде выделяет 2,5 нейтрона, именно это и позволяет происходить лавинообразному увеличению количества делящихся атомов в реакторе), которые сталкиваются с другими ядрами и так далее.

Рисунок 5. Цепное деление ядра

Для протекания реакции из реактора вынимаются регулирующие стержни, которые изготовлены из поглотителя нейтронов. Поглощающие стержни изготовлены из материалов, которые имеют очень большую площадь захвата нейтронов. Это сплав, который способен “захватывать” и поглощать нейтроны на большом расстоянии от атома. Чаще всего изготовлен из бора, так как сплав бора со сталью не взаимодействует с топливом реактора и имеет большую площадь захвата нейтронов.

Атомную энергетику стоит рассматривать как временный и довольно неплохой вариант. Есть ли сейчас вариант лучше этого?

Атомная энергетика наоборот

При слиянии дейтерия (изотоп водорода, отличающийся наличием нейтрона) и трития (тоже изотоп водорода, у которого 2 нейтрона) получается гелий и нейтрон. Такая реакция даёт значительный выход энергии(17.6 МэВ). Для сравнения, если взять смесь дейтерия-трития и урана одинаковой массы, при синтезе энергии выделится в 3 раза больше.

Есть правда и незначительные недостатки: тритий в природе не встречается, нежелательная “наведенная” радиация зачастую бывает опасной.

Можно подумать, что в термоядерной энергетике все отлично: отходов не так много, расположить можно где угодно, выдает огромную энергию на единицу массы, но ведь что-то мешает пользоваться ей.

Рисунок 7. Зависимость сил притяжения/отталкивания от расстояние между ядрами. На расстоянии порядка размеров ядра силы сильного ядерного взаимодействия начинают преобладать над кулоновскими и ядра сливаются.

Для этого нужно затратить огромную энергию. Есть 2 варианта как это реализовать: либо сильно сжать, либо сильно нагреть.

Внутри Солнца работает первый вариант: температура внутри ядра 15-16 млн Кельвинов, что, вообще говоря, не так много, но из-за массы, которая в 300 тыс раз больше массы Земли, плазма под высоким давлением удерживается гравитацией.

К сожалению, на Земле такую конструкцию реализовать затруднительно. Такого большого давления мы не создадим, поэтому остается только сильно нагреть.

Термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:

соблюдение критерия Лоусона. Критерий Лоусона показывает, будет ли реакция давать больше энергии, чем тратится.

скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы, к этому мы и стремимся. В этом случае энергии хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.

Рисунок 8. Распределение энергии частиц.

Вот мы и подошли к вопросу о том, почему же вокруг нет термоядерных реакторов. Просто потому что это очень горячо. Нужно все эти разлетающиеся изотопы как-то удержать, чтобы они ничего не касались, потому что такую температуру ни одно вещество не выдержит. Проблема не столько в том, чтобы разогреть до нужной температуры, сколько в том, чтобы эту температуру как-то удержать.

Варианты удержания плазмы

В 50-м году в Курчатовском институте показали такой вариант. Так начался международный проект по созданию термоядерного реактора.

Что такое ITER. Какие цели у проекта

История ITER берет начало в 80-х годах прошлого столетия. Многие страны объединились, так как решили, что ни одна страна не потянет постройку на своих плечах. Это самая дорогая экспериментальная установка в мире, в ITER до 2025 года планировали вложить почти 20 млрд евро, но учитывая постоянные переносы и новые проблемы, вполне вероятно, что сумма вырастет. Только в 2010 году разобрались со всеми бумажками и начали рыть котлован.

Рисунок 10. ITER Токамак.

У ИТЕРа нет задачи построить станцию по выработке электричества для использования людьми. Это экспериментальная установка, которая покажет, что в принципе это возможно в реальности, а не на бумаге, ведь у физиков уже давно все сошлось, а сейчас это очень сложная инженерная задача.

На декабрь 2025-го запланирован пуск первой плазмы в реакторе, который продемонстрирует работоспособность. Планируется, что работать на термоядерном топливе установка начнет в июне 2035 года. До этого предстоит завершить еще несколько крупных этапов, которые приведут станцию в полностью рабочее состояние. На сайте ИТЕР есть рум тур по стройке.

Давайте представим, что все идет по плану и в 2025 году мы получаем первую плазму, ITER показывает, что коммерческое использование термояда выгодно, но что происходит дальше?

Все побегут строить токамаки и мы будем купаться в электричестве? Но ведь все не так просто, даже сам ITER будет очень сложно повторить.

Как говорится, термоядерная энергетика is a new black в мире энергии, но ей предстоит еще долгий путь, прежде чем мы начнем ее повсеместно использовать.

Энергетика будущего

Человечество проделало несколько больших шагов по освоению энергии. Сначала мы научились разводить костер, потом использовать уголь и нефть. Сегодня мы умеем разделять атомы и, возможно, в скором времени научимся их синтезировать. Каждый такой шаг связан с индустриальной революцией, которая характеризуется масштабом добычи энергии, доселе никому невиданным.

Если пофантазировать, логичным шагом дальнейшего развития человечества будет освоение новых территорий и ресурсов, только уже не на нашей планете, а в космосе(если человечество не уничтожит себя раньше). Для этого потребуется невообразимое количество энергии. К счастью, ответ на вопрос “где взять столько энергии?” находится прямо над головой (Солнце). Как мы уже говорили выше, человечество пока только на пути к созданию собственного солнца на Земле.

Если мы хотим освоить метод добычи солнечной энергии, нам нужно будет построить очень большую конструкцию. Например, хорошим вариантом будет сфера Дайсона. Она охватывает звезду, чтобы «захватить» ее энергию.

Во всех аспектах ископаемое топливо является самым грязным, опасным и неэффективным, в то время как ядерные и современные возобновляемые источники энергии значительно безопаснее и чище, они могут помочь людям сделать шаг вперед и совершить следующую индустриальную революцию.

Источник