Энергия: откуда ее брать? / - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

1. отражения от атмосферы и облаков
2. нагрев земной поверхности
2.1 Нагрев грунта
2.2. Водяное отопление

Содержание

Энергия: откуда мы ее берем?

Давайте немного поговорим об энергии. Уверяю вас, это будет интересно – особенно если вы хотите понять, откуда берутся все блага нашей цивилизации.

Солнце является основным источником энергии на Земле. Его мощность характеризуется солнечной постоянной – количеством энергии, проходящей через единицу площади, расположенную перпендикулярно солнечным лучам. На расстоянии одной астрономической единицы (т.е. на орбите Земли) эта постоянная составляет около 1,37 кВт/м². Когда солнце проходит через земную атмосферу, оно теряет около 370 Вт/м² энергии, и только около 1000 Вт/м² достигает земной поверхности. Это все равно огромное количество энергии!

Но не будем говорить об экваторе, давайте посмотрим на то, что происходит в Москве.

Таким образом, среднегодовая солнечная энергия для Москвы (инсоляция) составляет 297 МДж на м². Максимум в июне – 615, минимум в декабре – 31 (в 20 раз меньше!).

Средняя квадратичная скорость ветра – 2,5 м/с (метеорологические данные)

Средняя квадратичная скорость воды в реках – 1 м/с (гидрологические данные)

Теперь, используя известные формулы, преобразуем эти величины в электрическую энергию.

где – средняя энергия источника (солнце, вода, ветер), – КПД установки (солнечный коллектор, усредненный ветрогенератор и гидроэлектростанция без плотины, соответственно).

Солнечная энергия – 44,55 МДж/м2 /год (эффективность прямого преобразования 15%*)
Ветер – 0,07 МДж/м2 /год (эффективность преобразования около 35%*)
Вода – 2,65 МДж/м2 /год (эффективность преобразования около 40%*)
*Данные о производительности получены из различных источников и основаны на характеристиках оборудования, доступного на рынке.

Эти значения кажутся вполне приличными, но все же их трудно оценить. Давайте попробуем по-другому.

Среднее потребление электроэнергии на одного взрослого человека для питания, работы, жилья, комфорта и всего, что с этим связано, составляет около 1940 кВт/ч электроэнергии в год (данные мировой статистики энергопотребления). Нетрудно подсчитать, что для того, чтобы жить хорошо, нам необходимо

● 13,9м² солнечных панелей (КПД – 15%, 2кВт – 160000р только на панель), но если вспомнить, что зимой инсоляция гораздо ниже, то в Москве для этого нужно 26,6м² солнечных панелей. Не стоит забывать и о проблеме хранения энергии, которая также стоит очень остро.

● Если говорить о ВОДЕ, то эта величина будет близка к 2800 квадратным метрам поперечного сечения реки (без плотин)

Я даже не хочу говорить о ветре – 11,29 га ветряных турбин!

Этот расчет является приблизительным, конечно, существуют чуть более эффективные и чуть менее эффективные решения, но средняя борьба производителей установок составляет примерно процент эффективности.

Нетрудно представить, насколько сложно перейти на альтернативные источники энергии в одной только центральной России. Глядя на эти цифры, мы начинаем задумываться о том, нужна ли вообще альтернативная энергия.

Конечно, она нам нужна! Но что это за альтернативная энергия? Для этого необходимо иметь детальное представление о том, как энергия распределяется по поверхности Земли, как мы ее используем и как храним.

Поэтому давайте теперь посмотрим на солнечную энергию с несколько иной точки зрения.

Огромное количество энергии падает на Землю. Он распределяется следующим образом:

1. отражение от атмосферы и облаков
2. нагрев земной поверхности
2.1. нагрев земной поверхности
2.2. нагрев воды

3. рассеивание энергии в верхних слоях атмосферы.

Что мы можем использовать:

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ – это прямое преобразование света в электричество. Главным и очевидным недостатком является огромная площадь солнечных панелей. Но давайте перейдем к цифрам:

Средний ядерный реактор производит около 1 ГВт электроэнергии. Сколько солнечных батарей необходимо для выработки такого же количества энергии? Чтобы объяснить это, давайте преобразуем мощность в энергию. 1 ГВт – это 86400 ГДж энергии в день или 31536000 ГДж в год.

Установим панели в солнечной Чите (самом солнечном городе России), инсоляция в Чите составляет 4363 МДж в год. Получается, что необходимо установить (с коэффициентом полезного действия 20%) 36 квадратных километров панелей.

Для того чтобы Россия отказалась от атомной энергетики, нам потребуется около 1152 квадратных километров солнечных батарей. Солнечные панели, или около 11 триллионов рублей (только за панели). Согласен, это большие деньги. Есть и другой вопрос – что будет с этими 1152 квадратными километрами? Каков экологический след от такого количества панелей? И давайте не будем забывать, что через 15 лет они потеряют 30% своих производственных мощностей.

ВТОРАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ – она используется повсеместно – это гидроэлектрическая энергия. То есть, солнце испаряет воду – затем реки – затем гидроэлектростанции. Здесь дело ясное: чтобы сконцентрировать энергию до эффективного максимума, строятся высокие плотины, которые нарушают водный баланс, затапливают территории, нарушают экосистемы.

Солнце нагревает поверхность планеты, поверхность передает тепло воздуху, а воздух – ветряным турбинам (ВЭП). Нетрудно догадаться, что такое количество посредников еще больше размывает солнечную энергию. И лишь в немногих местах на Земле он достаточно концентрирован, чтобы его можно было поймать. И последствия РЭП такие же – нарушение экосистем, инфразвук и т.д.

Получается, что энергия в природе очень рассеяна. Кажется, что его много (как и алюминия), но его нелегко добыть. И всякий раз, когда люди пытаются сконцентрировать энергию, они нарушают естественное состояние природы, что приводит к экологическим катастрофам.

Поэтому даже использование альтернативных источников энергии приведет к нарушению местных экосистем и, как следствие, к нарушению глобальных экосистем. Даже альтернативная энергия неестественна для природы, потому что она делает то же самое, что и другие виды энергии, – создает локальную концентрацию и тем самым увеличивает давление на экосистему. Что же делать? Вернуться в каменный век?

Давайте попробуем подумать, для чего нам нужна энергия.

У всех разные потребности. Одни довольствуются малым, другие хотят роскоши. Но человек, как вид, подчиняется всем законам экологии. Единственное различие заключается в том, что существует огромный разброс в показателях выживаемости. Эти различия обусловлены тем, что мы знаем, как добывать и использовать энергию. Как энергия определяет нашу жизнь?

Предположим, что наш уровень спроса на энергию легко измерить. А давайте возьмем за точку отсчета российскую потребительскую корзину и переведем все, что в ней есть (тепло, электричество, продукты питания, транспорт), в энергию. Обозначим его через N. Так что если мы вдруг начнем питаться только растительной пищей, которую выращиваем сами, никуда не будем ездить, не будем пользоваться современными технологиями и вообще будем жить как в русской деревне XVI века, мы потратим примерно 0,05Н. А если мы решим поесть омаров, полетать на самолете, пожить в роскошном доме – это будет стоить нам 10-100Н.

Все новое вокруг нас, все развлечения, 8-часовой рабочий день – все это возможно только благодаря изобилию энергии. В природе существует универсальный закон: “Если в замкнутую систему поступает энергия, структура системы усложняется, а степень хаоса (энтропии) уменьшается”. Вся человеческая цивилизация свидетельствует об этом.

Однако мы несколько извратили этот закон, создав эквивалент энергии – деньги. И что бы кто ни говорил о беспричинном характере денежных купюр, на самом деле они подтверждены энергией. То есть, краеугольным камнем уровня жизни (безопасности) человечества является производство и распределение энергии. Потоки энергии регулируются рынком – эквивалентом энергетической системы цивилизации.

Поэтому отдельные источники энергии политически крайне невыгодны. Тем не менее, спрос на них есть. Так как же мы получаем энергию для себя?

Таким образом, исходя из законов экологии и распределения энергии в экосистемах, можно сделать следующие выводы:

1. видовое разнообразие и развитие экосистемы напрямую зависит от поступления энергии, но, согласно закону минимума, она не может быть лимитирующим фактором для развития экосистемы. Это означает, что экосистема способна извлекать столько энергии, сколько позволяют другие условия. Хорошим примером является поле – в случае с полем ограничением является наличие микроэлементов в почве, поэтому внесение удобрений или правильный видовой состав значительно увеличивают биомассу.

(2) Человек может извлекать определенную энергию из экосистемы, не причиняя ей вреда.

3) Наиболее вредным для экосистемы является сокращение видового состава, так как это приводит к потере устойчивости.

Поэтому задача человека – не навредить. Т.е. можно использовать только то, что не нарушает баланс энергии, информации и материи в экосистемах. Это очень общие выводы. Теперь вернемся к энергии.

Россияне используют около 5 000 кг нефтяного эквивалента для получения энергии. Если перевести это в биомассу (средняя энергетическая ценность 10 МДж против 41 МДж у нефти), то получится 20500 кг. Это много или мало? По статистике, в центральной зоне они собирают (если возделывают специально, например, кустарники) около 5000-7000 кг/га биомассы. Таким образом, одному человеку потребуется 3-4 га земли. Или (учитывая, что он составляет 143 млн. человек) нам потребуется 572 млн. га, или 5720000 кв. км. Или 33% от площади поверхности. Совершенно ясно, что это невозможно. Однако, если немного подумать, все не так уж печально:

1. потеря энергии составляет 11,5%.
2. 19% энергии поступает от гидроэлектростанций
3. 15% энергии поступает от атомных электростанций
4. 20% энергии используется неэффективно (для отопления зданий с плохой теплозащитой, освещения и т.д.).

Т.е. Это уже 15%. Тем не менее, давайте не будем впадать в крайности и оставим только то, что потребляют люди (транспорт, продукты питания, жилье) – а это всего лишь 20-25% от общего потребления энергии. То есть 10% нашей территории достаточно для хранения солнечной энергии в зеленой массе. Однако совершенно ясно, что было бы глупо строить ТЭЦ, работающую на древесине. Но что, если создать небольшую электростанцию на дровах, которая будет производить тепло и свет?

В чем смысл всего этого? Чтобы жить в гармонии с планетой, нам необходимо:

1. использовать только ту энергию, которая ежегодно накапливается в биомассе, вместо того, чтобы использовать ту, которая накапливалась в течение миллионов лет (нефть, газ, уголь).

2. использовать только ту биомассу, которая может быть реализована в рамках повышения продуктивности экосистем (капельное орошение в пустыне, использование зольных удобрений – поддержание баланса микроэлементов и т.д.).

3. Поддержка экосистем для повышения их продуктивности. 4.

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

5. подождите, пока слияние не будет устранено.

И практически: средняя урожайность пшеницы в пересчете на надземную биомассу: 13000 кг. Этого достаточно, чтобы обеспечить два гектара пшеницы теплом и электричеством, но нам придется потрудиться, чтобы собрать урожай, а затем не забыть вернуть золу обратно природе.
Конечно, это не решение энергетической проблемы в целом, но правильное отношение к биологической материи как к универсальному аккумулятору и источнику энергии позволяет человеку не только расходовать то, что накоплено годами, но и взращивать и укреплять то, что дано сейчас.

Энергия из биомассы. Более элементарной формой чистой энергии является биомасса. Люди используют его различными способами на протяжении тысяч лет. Биомасса – это не что иное, как растения и их остатки, которые являются возобновляемыми источниками энергии. Растения содержат энергию, которая накапливается в них в процессе фотосинтеза. Эта энергия расщепляется и становится полезной при сжигании растений. Электростанции, работающие на биомассе, по сути, представляют собой печи, способные разлагать большое количество сырья. В качестве сырья могут использоваться растительные остатки, перегнившие растения и даже древесные отходы.

Невозобновляемые источники энергии:

Добыча угля. Уголь по-прежнему занимает большую часть энергетического баланса. Это одно из основных видов сырья, от которого зависит дальнейшее развитие энергетического сектора, а значит, и всей промышленности. Уголь известен как “хлеб промышленности”. Уголь бывает нескольких видов – бурый уголь, каменный уголь, бурый уголь и антрацит.
Добыча нефти – Нефть также является очень важным энергетическим ресурсом. Ближний Восток обладает самыми большими запасами нефти. Нефть добывается путем выкачивания.
Добыча природного газа. Природный газ имеет более высокую теплотворную способность и более высокую производительность, чем нефть. Его калорийность значительно выше, чем у угля. Природный газ также используется в химической, стекольной, фарфоровой и других отраслях промышленности, а также на некоторых тепловых электростанциях.

Добыча угля, нефти и природного газа связана с определенными нарушениями в окружающей среде – изменением рельефа, уничтожением пахотных земель, накоплением карьерных материалов, разрушением почвы и т.д. Д.

Одним из основных законов природы является закон сохранения энергии. Наш организм постоянно расходует его. У растений это компенсируется фотосинтезом – явлением, которое включает в себя восстановление солнечной энергии. Человек не в состоянии восполнить свою собственную энергию. Для этого он должен регулярно получать достаточное количество энергии извне. Этот показатель измеряется в калориях. Одна калория равна количеству тепла, необходимого для нагревания 1 грамма воды на 1 градус. Человек получает калории из пищи. Его калорийность – это количество энергии, полученной после полного переваривания.

Закон сохранения

Одним из основных законов природы является закон сохранения энергии. Наше тело постоянно потребляет энергию. У растений это компенсируется фотосинтезом – явлением, при котором восстанавливается энергия солнца. Человек не в состоянии самостоятельно восполнить свои энергетические потребности. Для этого он должен регулярно получать достаточное количество энергии извне. Этот показатель измеряется в калориях. Одна калория равна количеству тепла, необходимого для нагревания 1 грамма воды на 1 градус. Человек получает калории из пищи. Его калорийность – это количество энергии, полученной после полного переваривания.

Основным источником калорий для человека являются углеводы. При переваривании 1 г углеводов организм получает 4 ккал. Человек с суточной потребностью в 2000 ккал должен потреблять 250 г – 300 г углеводов в день.

Питательный ванильный коктейль
Возобновляемые (неисчерпаемые) источники энергии – 3.1.1 Возобновляемые (невозобновляемые) источники энергии: Источники энергии, получаемые из природных процессов, жизненный цикл видов растений и животных и жизненный цикл…. Глоссарий терминов для нормативно-технической документации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ – Все спонтанные процессы, согласно второму закону термодинамики, протекают в направлении уменьшения свободной энергии, то есть с ее потерей или снижением энергетического уровня природных систем. Поэтому Земля, и особенно земная кора, если … … Энциклопедия геологии

Источники энергии, которые не являются частью энергетической системы – (например, солнечные установки) [А. С. Гольдберг. Англо-русский энергетический словарь. 2006] EN off grid system… Словарь технического переводчика

Вторичные возобновляемые источники энергии – Вторичные возобновляемые источники энергии: твердые бытовые отходы, тепло промышленных и бытовых отходов, вентиляционное тепло и газ. Источник: ГОСТ Р 53905 2010. национальный стандарт Российской Федерации. Сохранение энергии. Термины и определения … … Официальная терминология

РАДИОИЗОТОПНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ – Источник энергии, преобразующий энергию, выделяющуюся при распаде радионуклида, в другие виды энергии (например, тепло, электричество). Мощность R.I.E. обычно не превышает нескольких кВт. Они используются в труднодоступных районах мира и в…

Радиоизотопные источники энергии – Один из радиоизотопных генераторов на зонде “Кассини” … Википедия

ГОСТ Р 54100-2010: Нетрадиционные технологии. Возобновляемые источники энергии. Общие положения – Терминология ГОСТ Р 54100-2010: Нетрадиционные технологии. Возобновляемые источники энергии. 3.1.2 Возобновляемая энергия: область экономики, науки и техники, включающая производство, передачу,… Глоссарий терминов технической и нормативной документации

возобновляемые (устойчивые) источники энергии – 3.1.1 возобновляемые (невозобновляемые) источники энергии: Источники энергии, получаемые из природных процессов, жизненный цикл видов растений и животных и жизненный цикл….

возобновляемые источники энергии – Неископаемые источники энергии (ветровая, солнечная, геотермальная, волновая, приливная, гидроэнергия, биомасса, газ органических отходов, газ очистных сооружений и биогаз) (Директива 2003/54/EC) [Англо-русский … Руководство технического переводчика

возобновляемая энергия – Источники постоянно возобновляемой энергии в биосфере Земли солнечная, ветровая, океаническая и речная гидроэнергия. Возобновляемые источники энергии являются экологически чистыми; они также не вызывают дополнительного нагрева планеты……… Энциклопедический словарь

возобновляемая энергия – 4.1.18 Возобновляемые источники энергии: Возобновляемые, неископаемые источники энергии: ветер, солнечный свет, геотермальная энергия, энергия волн, энергия приливов и отливов, энергия рек, биомасса, биогаз, газ со свалок, газ ископаемого топлива,…

Однако решение для этих случаев есть – единая энергетическая система. Было бы проще создать единую Европу, в которой южные страны Союза – Испания, Италия и Греция – делились бы солнечной энергией, а северные страны – Норвегия, Дания и другие – ветровой.

Ученые обнаружили, что ветер и солнце могут стать единственными источниками энергии для крупнейших мировых держав

Энергетический кризис в Европе, смертоносная зима в Техасе и близкий коллапс энергосистемы в Японии в начале этого года – все это на уме у скептиков, которые не верят в “зеленую” энергию. Глотком свежего воздуха в атмосфере отчаяния стали новые расчеты, которые показывают, что перейти на солнечную и ветровую энергию в качестве основных источников выработки электроэнергии сложно, но возможно.

Источник изображения: Sebastian Ganso / Pixabay

В статье, опубликованной в журнале Nature Communications Эксперты из китайского Университета Цинхуа, Научного института Карнеги и Калифорнийского технологического института пришли к выводу, что большая часть текущего спроса на электроэнергию в развитых промышленных странах может быть удовлетворена за счет некоторого сочетания энергии ветра и солнца. Однако здесь есть оговорка: для полного удовлетворения потребностей стран в электроэнергии необходимы дополнительные усилия.

“Ветер и солнце могут удовлетворить более 80 процентов спроса во многих местах без хранения или избыточных генерирующих мощностей, что крайне важно, – сказал соавтор исследования Стив Дэвис, профессор UCI по науке о земной системе. – Но в зависимости от страны, в течение года могут быть многодневные периоды, когда спрос придется удовлетворять за счет накопителей энергии и других неископаемых источников энергии”.

Исследователи проанализировали почасовые данные о спросе на электроэнергию за 39 лет в 42 крупных странах, чтобы оценить достаточность ветровых и солнечных ресурсов для удовлетворения их потребностей. Они обнаружили, что полный переход на устойчивые источники энергии может быть проще для крупных стран, расположенных в более низких широтах, где больше солнечных дней в году. В высоких широтах (напр. в Германии) сложнее, и могут быть периоды “темной заморозки”, когда ветер и солнце не вырабатывают энергию неделями. В октябре произошел двухнедельный “темный заморозок”, который заставил Германию снова закрыть свои угольные электростанции.

Однако для таких случаев есть решение: единая энергетическая система. Было бы проще создать единую Европу, в которой южные страны Союза – Испания, Италия и Греция – разделят производство солнечной энергии, а северные страны – Норвегия, Дания и другие – ветровой энергии.

В целом, исследование показало, что системы с преобладанием ветра могут удовлетворить 72-91% потребностей крупных стран в электроэнергии. Системы с преимущественно солнечной генерацией, при условии наличия 12-часового накопителя энергии, могут удовлетворять спрос на электроэнергию от 83 до 94% времени.

Для полного охвата требований требуется определенный объем работы, которая может быть сложной, но вполне выполнимой. Например, для создания избыточной мощности ВИЭ сверх обычного годового спроса, для создания накопителей энергии, а также для обработки больших участков перетока электроэнергии от нескольких источников.

Каждый из известных источников энергии дает возможность получать как один, так и несколько видов энергии одновременно. Солнце, например, является источником тепла, света и целого ряда других видов излучения. Солнечная панель вырабатывает электричество, которое затем преобразуется обратно в свет и тепло. Все виды энергии тесно взаимосвязаны.

Воздействие на окружающую среду

Вмешательство человека в природные энергетические и экологические системы нашей планеты, безусловно, окажет влияние на окружающую среду. В некоторых местах воздействие почти незаметно, но в других местах оно катастрофично. Обычная мудрость гласит, что почти все возобновляемые источники энергии являются экологически чистыми. Это не совсем так. Да, большинство из них действительно экологически безопасны, и это их большое преимущество. Многие ученые считают, что выживание человечества будет зависеть от способности полностью заменить экологически вредные виды.

Солнце, воздух, гравитация и тепловая энергия Земли – это действительно “чистые” источники энергии, использование которых абсолютно безопасно для окружающей среды. Однако почти все они в настоящее время слишком неэффективны, чтобы полностью заменить экологически “вредные” источники. Солнечным электростанциям пророчат большое будущее, когда люди поймут, как преобразовывать энергию звезд в электричество более эффективно в любых широтах и при любой погоде. Следует отметить, что положительные сдвиги в этом направлении уже происходят. Солнечные панели, которые когда-то были очень дорогими и эксклюзивными установками для научных и правительственных целей, теперь доступны среднему потребителю, который все чаще выбирает этот вариант для энергоснабжения своих домов.

К сожалению, то, что было сказано о возобновляемых источниках энергии, не относится к гидроэлектростанциям и станциям по производству биотоплива. Последствия последнего пока плохо изучены, но нет сомнений в том, что любое вмешательство человека в биосферу, нарушающее естественный биологический баланс, может иметь тяжелые последствия. Последствия использования рек для выработки гидроэнергии хорошо известны человечеству.

Всплеск популярности этого типа электростанций относится к первой половине 20-го века. В то время казалось, что вращение турбин водой из естественного источника (перекрытого шлюзами и, как правило, сильно измененными руслами рек) – лучший вариант экологически чистого и практически вечного источника энергии. Тот факт, что в результате такого либерального отношения к рекам разрушаются экосистемы всего верхнего и нижнего течения, не сразу был замечен людьми. Тревогу забили, когда началась массовая гибель рыбы, животных и птиц из-за осушения или, наоборот, затопления обширных территорий, выветривания почв из-за потери лесов, истощения сельскохозяйственных угодий из-за недостатка воды в засушливых районах и многого другого. Сегодня к строительству гидротехнических сооружений подходят с гораздо большей осторожностью, стараясь не допустить грубого нарушения существующей экосистемы реки. Однако полностью избежать негативного воздействия очень сложно.

Однако все остальные риски меркнут по сравнению с тем, что происходит с окружающей средой в результате работы тепловых электростанций. Основанные на энергии, получаемой при сгорании определенного топлива, они и сегодня являются основным источником электроэнергии на нашей планете. Они действительно эффективны и неприхотливы в использовании, могут работать на нефти, газе, угле и любом другом горючем материале для производства самой дешевой электроэнергии. Однако ущерб, наносимый окружающей среде тепловыми электростанциями, несопоставим с ущербом, наносимым всеми другими типами электростанций вместе взятыми.

Конечно, использование этих энергоносителей и продуктов их преобразования в других областях, особенно в транспорте и промышленности, также способствует загрязнению окружающей среды. Сжигание угля, нефти, газа и других видов топлива, где бы они ни использовались, помимо прямого загрязнения атмосферы, почвы и воды, приводит к огромным выбросам углекислого газа, который считается основной причиной так называемого парникового эффекта. В долгосрочной перспективе запущенные ими процессы приводят к катастрофическим изменениям климата планеты со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Сегодня многие люди возлагают большие надежды на атомные электростанции. Если они работают правильно, они эффективны, безопасны для людей и окружающей среды и дают относительно недорогую электроэнергию. Если ученым удастся полностью взять под контроль процесс деления ядер и передать его в распоряжение людей, человечество получит чистый, недорогой и дешевый источник энергии на многие века. К сожалению, огромным недостатком этого типа электростанций до сих пор являются катастрофические последствия, не зависящие от человека, которые может иметь любой отказ.

Читайте далее: