Постійне збільшення чисельності населення нашої планети, наростаюче виснаження запасів традиційних джерел енергії та водночас вимоги до збереження навколишнього середовища змушують людей шукати нові джерела енергії, перш за все, які є відновлюваними. Оцінки експертів, зроблені на підставі поточних рівнів споживання, свідчать, що нафти людям вистачить на 44 роки, природного газу – на 62 роки, а вугілля – на 280 років. А деякі прогнози ще більш невтішні.
Тому вирішення даної проблеми – актуальне питання сьогодення.
Предмет дослідження: альтернативні джерела енергії.
Об'єкт дослідження: альтернативна енергетика в Україні.
Мета: визначити перспективні напрямки альтернативних ресурсів на основі аналізу інформаційних джерел.
Завдання:
- розкрити історичні аспекти виникнення електроенергії, види її джерел (традиційні та нетрадиційні);
- дослідити існуючі альтернативні джерела електроенергії (надалі АДЕ), з'ясувати їх переваги та недоліки, особливості використання альтернативних ресурсів у світі та в Україні;
- на основі проведеного дослідження запропонувати перспективні напрямки розвитку альтернативних джерел енергії майбутнього; запропонувати практичні малозатратні заходи з використання АДЕ; результати висвітлити на учнівському блозі, сайті школи (та її сторінках у соціальних мережах), з метою інформування та формування в населення правильного підходу до постановки та вирішення проблем ефективного використання паливно-енергетичних ресурсів країни.
Методи дослідження: порівняльний аналіз, спостереження, теоретичне узагальнення.
Гіпотеза: «Можна знайти дешевий екологічно чистий видобуток електроенергії».
........................... повна версію завантажуйте.
1
Відділ соціального захисту, освіти, культури, охорони здоров’я, спорту та роботи з молоддю
Міський конкурс екологічних проектів
Груповий проект
Альтернативні джерела електроенергії майбутнього
Автори:
Бойченко Віталій Віталійович,
Колісник Софія Геннадіївна,
Буляк Нікіта Олександрович,
учні 7-А класу Зеленодольської ЗШ І-ІІІ ступенів № 2
Науковий керівник:
Толокнєєва Ольга Володимирівна,
вчитель інформатики та технологій
Зеленодольськ
2017
ЗМІСТ
Стор.
ВСТУП ............................................................................................................... 3-4
Методичний паспорт проекту………………………..…………….…..…..5 – 8
І. Теоретико-методичні аспекти енергетичних ресурсів
ІІ. Аналітичний огляд відновлюваних енергоресурсів
ІІІ. Шляхи розвитку альтернативної енергетики в Україні
Висновки...............................................................................................................32
Додатки..........................................................................................................33 – 35
Список використаної літератури.....................................................................36
ВСТУП
Постійне збільшення чисельності населення нашої планети, наростаюче виснаження запасів традиційних джерел енергії та водночас вимоги до збереження навколишнього середовища змушують людей шукати нові джерела енергії, перш за все, які є відновлюваними. Оцінки експертів, зроблені на підставі поточних рівнів споживання, свідчать, що нафти людям вистачить на 44 роки, природного газу – на 62 роки, а вугілля – на 280 років. А деякі прогнози ще більш невтішні (рис.1).
Рис.1. Запаси викопних (традиційних) енергоресурсів.
Тому вирішення даної проблеми – актуальне питання сьогодення.
Предмет дослідження: альтернативні джерела енергії.
Об'єкт дослідження: альтернативна енергетика в Україні.
Мета: визначити перспективні напрямки альтернативних ресурсів на основі аналізу інформаційних джерел.
Завдання:
- розкрити історичні аспекти виникнення електроенергії, види її джерел (традиційні та нетрадиційні);
- дослідити існуючі альтернативні джерела електроенергії (надалі АДЕ), з’ясувати їх переваги та недоліки, особливості використання альтернативних ресурсів у світі та в Україні;
- на основі проведеного дослідження запропонувати перспективні напрямки розвитку альтернативних джерел енергії майбутнього; запропонувати практичні малозатратні заходи з використання АДЕ; результати висвітлити на учнівському блозі, сайті школи (та її сторінках у соціальних мережах), з метою інформування та формування в населення правильного підходу до постановки та вирішення проблем ефективного використання паливно-енергетичних ресурсів країни.
Методи дослідження: порівняльний аналіз, спостереження, теоретичне узагальнення.
Гіпотеза: «Можна знайти дешевий екологічно чистий видобуток електроенергії».
Методичний паспорт проекту
Автори проекту: Бойченко Віталій Віталійович, Колісник Софія Геннадіївна, Буляк Нікіта Олександрович, учні 7-А класу, Зеленодольської ЗШ І-ІІІ ступенів № 2.
Назва проекту: «Альтернативні джерела електроенергії майбутнього».
Тип проекту: екологічний, природничо-науковий, інформаційний, дослідницький, практично-орієнтований, за методикою Intel.
Навчальні предмети: інформатика, фізика, географія; факультативний курс з енергозбереження.
Форма проекту: груповий.
Клас або класи: 7-А клас (вік 13-14 років).
Кількість учнів: безпосередня діяльність у проекті 20 учнів 7-А класу та подальший інформаційний вплив проекту на інших учнів школи та мешканців міста, України.
Очікувані результати:
Опис проекту
Схема діяльності учнів на всіх етапах роботи над проектом:
Урок № 1.
Проміжний результат: план проекту.
Урок № 2.
Опрацювання та аналіз інформаційних джерел (відомостей) з тематики проекту.
Проміжний результат: узагальнені висновки, одержанні учнями впродовж вивчення теми.
Урок № 3-4.
Аналіз отриманих висновків, оформлення проекту згідно з планом, уточнення форм презентації остаточного продукту проекту, необхідних матеріалів та обладнання. Самооцінка роботи та роботи учнів своєї групи. Підготовка продукту (учнівський блог проекту http://ade-zel2.blogspot.com ) та презентації до захисту проекту.
Проміжний результат: продукт та розробка презентації до захисту проекту.
Урок № 5. Захист проектів.
Вхідні знання та навички учнів:
Матеріально-технічне, інформаційно-технічне та методичне забезпечення:
1. Бобров Є. А. Енергетична безпека держави / Є. А. Бобров ; Ун-т економіки та права, ВНЗ “КРОК”. – Київ, 2013.
2. Кириленко О. В. Енергетична безпека України в умовах поточної української кризи [Електронний ресурс] / О. В. Кириленко // Вісн. Нац.акад. наук України. – 2014.
https://www.youtube.com/watch?v=Fcez5FrwCEY
http://rodovid.me/energy/10-istochnikov-energii-buduschego.html
http://www.interergo.ru/energetika-budushhego/
http://www.studfiles.ru/preview/5726668/
http://spp-dtek.com.ua/wp-content/uploads/2015/05/Rezultaty-Dnipro-obl+Energ-final.pdf
http://kyivenergo.ua/tsikavi_fakti
Очікуваний остаточний продукт проекту: веб-публікація (учнівський блог проекту http://ade-zel2.blogspot.com ).
Форма презентації остаточного продукту: колективна доповідь з використанням слайдової презентації.
І. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДИЧНІ АСПЕКТИ ЕНЕРГЕТИЧНИХ РЕСУРСІВ
Енергія є основою життя на Землі. Рослини поглинають сонячну енергію в процесі фотосинтезу; тварини споживають цю енергію непрямим шляхом, поїдаючи рослини та інших тварин. Людина споживає сонячну енергію різними шляхами, в тому числі і з їжею. Ще в давнину людина навчилася переробляти енергію Сонця шляхом спалювання біологічної матерії (наприклад, деревини або гною). І в даний час мільйони людей використовують ці важливі джерела енергії для приготування їжі або обігріву житла – перших життєвих потреб людини.
Що ж таке «енергія»? Цей термін походить від грецького ενεργός, що в перекладі означає «діяльний». Отже, енергія пов’язана з дією, зі здатністю тіла виконувати роботу та/або отримувати теплоту.
Трохи складніше визначення енергії прийняте у світі науки: «це загальна кількісна міра різних форм руху матерії». Але не тільки рух породжує енергію: вона існує в безлічі форм. В ході хімічної реакції вивільняється хімічна енергія, а при розпаді атомів – ядерна. Є й інші форми енергії – електрична, гравітаційна, сонячна тощо. Так за законом перетворення та збереження енергії: енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може лише переходити з одної форми в іншу.
Цілі епохи в історії людства називали «на честь» використовуваної форми енергії. Так час парових двигунів (від другої половини 18-го століття до кінця 19-го століття) називали «століттям пари». А 20-те століття називали «століттям електрики», а також «століттям атома».
Енергія – це абстрактне поняття, яке запроваджене фізиками, щоб описувати єдиними термінами явища, пов’язані з теплотою і роботою. Це виявилося дуже зручно, і тепер енергія є фундаментальним поняттям не тільки природних наук, а й усіх сфер життя.
Виробництвом, перетворенням і використанням різних форм енергії займається галузь народного господарства, яку називають енергетикою. Відповідно, галузь енергетики, в якій одержання, перетворення, транспортування і використання теплової енергії відбуваються за рахунок спалювання органічного палива, називають теплоенергетикою. Гідроенергетика займається перетворенням гідроенергії на електричну енергію. Відкриття способів використання енергії атомного ядра створило нову галузь енергетики – атомну або ядерну енергетику. Питаннями використання енергії вітру займається вітроенергетика, а енергетичні технології, що базуються на використанні енергії Сонця, належать до геліоенергетики.
Сьогодні, без сумніву, основною економічною проблемою у світі є енергетична криза. Соціально-економічний розвиток кожної країни, зокрема України, залежить від теперішнього і майбутнього стану її енергетики.
Електроенергетика є найважливішою галуззю економіки будь-якої країни, оскільки її продукція (електрична енергія) відноситься до універсального виду енергії. Її легко можна передавати на значні відстані, ділити на велику кількість споживачів. Без електричної енергії неможливо здійснити багато технологічні процеси, як неможливо уявити наше повсякденне життя без опалення, освітлення, охолодження, транспорту, телевізора, холодильника, пральної машини, пилососа, праски, використання сучасних засобів зв'язку (телефон, телеграф, телефакс, ЕОМ), які також споживають електроенергію.
Однією зі специфічних особливостей електроенергетики є те, що її продукція на відміну від інших галузей промисловості не може накопичуватися в запас на складі для подальшого споживання. У кожен момент часу її виробництво має відповідати її споживанню.
Різноманіття форм існування енергії та властивість їхнього взаємоперетворення дозволяє використовувати для виробництва і споживання енергії різні енергоресурси.
За останні 200 років відбулися закономірні зміни у системі джерел енергії у розвинених країнах. Доки одні спалювали ліси, другі навчилися видобувати і використовувати викопне вугілля. Треті у боротьбі за ринок енергопослуг освоїли нафту, четверті – спорудили гідроелектростанції. З середини XX ст. розпочалося використання ядерної енергії.
Цікава обставина: Північна півкуля значно багатша на викопне паливо, ніж Південна (там і досі не знайдено жодного великого нафтового родовища). Причиною є те, що в момент накопичення органіки у прадавніх болотах тропіки розташовувалися в Європі, Сибіру, США і Канаді, їм і належить левова частка вугілля, нафти і газу.
Енергетичні ресурси (джерела енергії) – це речовини, в яких зосереджено енергію, придатну для практичного використання.
Енергоресурси поділяють на первинні (ПЕР) і вторинні (ВЕР).
Первинні енергоресурси – це природні ресурси, які не піддавали переробці і перетворенню: сира нафта, природний газ, вугілля, горючі сланці, вітер тощо. Вторинні енергоресурси є побічними продуктами діяльності людини: це відхідні гази, конденсат, гаряча вода, доменний та коксівний гази, газметан дегазації вугільних родовищ тощо.
Протягом ХХ століття основним джерелом теплоти було органічне паливо. Д. І. Менделєєв визначив паливо як «горючу речовину, яку навмисно спалюють для одержання теплоти».
Паливо буває тверде, рідке і газоподібне. Зазвичай паливом називають ті речовини, які дають вагому кількість теплоти: дерево, вугілля (є кілька його різновидів), природний газ та продукти нафтопереробки.
Класифікацію джерел енергії наведено на рисунку 1.1.
Рис.1.1. Класифікацію джерел енергії
На порозі третього тисячоліття людство все більше усвідомлює свою відповідальність за збереження довкілля, за чистоту нашої планети. Науково-технічний прогрес, підвищення комфортності життя і пов'язане з ним зростання енергоспоживання – об'єктивні речі. Але це зовсім не означає, що вони мають досягатися будь-якою ціною. Використання лише традиційних джерел енергії (нафти, газу, ядерного палива) руйнує і забруднює землю, водні ресурси й повітря. Разом з тим, понад 1 кВт на кожний квадратний метр щосекунди постійно забезпечує нам удень світло невичерпного, екологічно бездоганного і загальнодоступного природного джерела – Сонця. Досягнення світової технології вже зараз дають змогу використовувати його для вироблення електроенергії, вартість якої наближається до традиційної. Поряд інтенсивно розвиваються в багатьох країнах також вітроенергетика й енергетика біомаси, які споріднені сонячній.
Говорячи про альтернативні джерела енергії (АДЕ), ми маємо на увазі джерела, які являють собою альтернативу викопним, традиційним. Згідно із Законом України «Про альтернативні джерела енергії» до таких відносять відновлювані та вторинні джерела енергії.
Відновлювані джерела енергії – це джерела сонячної, вітрової енергії, енергії води, морських хвиль, геотермальні джерела енергії, біомаса і біопаливо тощо.
Вторинні джерела енергії – це відхідні гази, конденсат, гаряча вода, доменний та коксівний гази.
З усіх існуючих видів альтернативної енергетики самими розвинутими є сонячна, вітро- і гідроенергетика.
Взаглі у світовій практиці існує безліч видів альтернативної енергетики, розглянемо детальніше їх принцип отримання електроенергії, переваги та недоліки розвинених сьогодні АДЕ за допомогою таблиці 1.1.
Таблиця 1.1.
Характеристика видів альтернативної енергетики
Вид альтернативної енергетики |
Принцип отримання електроенергії |
Переваги |
Недоліки |
Сонячна енергетика |
Використання енергії сонця і перетворення її в електроенергію і тепло. Перетворення відбувається за допомогою геліоустановок різних видів |
Безшумність, екологічність, відсутність викидів в навколишнє середовище |
Виробництво електроенергії і тепла безпосередньо залежить від інтенсивності сонячного світла |
Вітроенергетика |
Використовуючи вітрові установки і вітрові електростанції, перетворення кінетичної енергію вітру в електроенергію |
У вітряних районах нашої планети вітер – це невичерпне і самовідновлюване джерело енергії |
Гучні вітрогенератори, громіздкість їх і мала потужність одиничної установки |
Гідроенергетика (хвильові електростанції, припливні електростанції, міні ГЕС, водоспадні електростанції) |
Перетворення енергії води в електроенергію |
Відновлювана енергія, є дуже дешевою електроенергія, робота не супроводжується шкідливими викидами в атмосферу |
Затоплення орних земель, на гірських річках небезпечно через високу сейсмічність районів; забруднення річок, скорочення потоку біогенних речовин в океани |
Геотермальна енергетика |
Використання тепла земних надр: гарячих ґрунтових вод або глибинного тепла планети |
Цей вид енергетики абсолютно не залежить від зовнішніх факторів, часу доби і пори року, і повністю невичерпний |
Неможливість скидання відпрацьованої води у водойми, з огляду на її забрудненість. Температура теплоносія значно менша за температуру при спалюванні палива; необхідність використання тепла біля місця видобування. Висока вартість спорудження свердловин |
Біоенергетика |
Дозволяє з біомаси отримувати енергію і тепло |
Утилізація органічного сміття, зниження рівня забруднення навколишнього середовища. |
Невисокий коефіцієнт корисної дії через низьку калорійність палива |
Перспективним видом АДЕ в майбутньому є грозова енергетика, що відноситься до самовідновлюваних джерел енергії. Суть її полягає в перехопленні і перенаправленні в електромережу блискавки. Однак це не дуже надійне джерело енергії, тому що заздалегідь дізнатися, де буде гроза неможливо.
Воднева енергетика використовує водень як найпоширеніший елемент на Землі, для акумулювання і транспортування енергії. Воднева енергетика на сьогоднішній день найбільш розвинена в автомобільній сфері.
Космічна енергетика використовує енергію Сонця. Потім ця енергія перетворюється в електричну, а електростанції розташовуються або на навколоземній орбіті, або на Місяці.
Як бачимо в майбутньому, коли природні ресурси, що використовуються в традиційній енергетиці, вичерпаються, є чим заповнити їх нестачу.
ІІ. Аналітичний огляд відновлюваних енергоресурсів
2.1. Ефективність використання альтернативних ресурсів в світовій практиці
За припущенням фахівців, енергетичною прикметою XXI століття стане розмаїття використовуваних джерел енергії. Проте людство не зможе зовсім відмовитись від традиційних енергоносіїв та енергії атома. Структура споживання викопного палива в Україні, ЄС та світі наведена на рис.1.2.
Рис.2.1. Структура споживання палива
Нова світова тенденція: розвиток альтернативної енергетики. Причин тому дві:
Отже, розглянемо, найбільш актуальні види альтернативних енергоресурсів в країнах світу (рис.2.2).
Китай – вітроенергетика. У Китаї дуже активно розвивається даний напрямок, бо в країна є лідером по шкідливим викидам в атмосферу вуглецю (СО2). За даними на жовтень 2016 року, в Китаї працювало 158 ГВт вітряних електростанцій (це 2,6% від загального видобутку енергії), що становить близько 35 % від вітрових потужностей усього світу.
|
|
|
Китай, Німеччина, США, Данія, Іран – вітроенергетика |
США, Японія, Ісландія – геотермальна енергетика |
Швеція, Данія, Австрія, Фінляндія, Німеччина – енергія біомаси (біоенергетика) |
|
|
|
Норвегія, Бутан (Гімалаї) – електромобілі |
Іран, Індія – сонячна енергетика |
Японія - мала гідроенергетика |
Рис.2.1. Світовий досвід використання АДЕ
США – активно розвивають альтернативну енергетику в напрямках вітроенергетики (частка у загальному видобутку енергії країни 5%) та є світовим лідером по використанню геотермальних ресурсів (за рахунок різниці температур між Ядром Землі та її корою).
В Ісландії 70% споживання енергії забезпечується за рахунок геотермальних джерел.
Німеччина – вітроенергетика, яка також є одною із лідируючих енергетик у світі. Активний розвиток цього напрямку почався після Чорнобильської трагедії: саме тоді уряд прийняв рішення про пошук альтернативних джерел отримання енергії. Частка її використання у загальній енергетиці країни 8,6 %. Німеччина також – світовий лідер у виробництві біопалива (біодизелю). У Германії немає проблем з сировиною – рапсом. Щорічно їм засівають понад мільйон гектарів. В результаті хімічних процесів з насіння отримують масло і шрот. Біодизель утворюється після видалення з масла гліцерину, який незамінний у фармацевтичній галузі. По суті, безвідходна технологія.
Японія – займається розвитком усіляких альтернативних джерел енергії: як мало затратних, так і надзвичайно дороговартісних, масштабних та високотехнологічних. Основні з них – мікрогідроелектростанції (мала гідроенергетика) та геотермальні станції. А от з вітряними станціями тут не склалося – дорого, шумно та малоефективно.
Данія – вітряна та біоенергетика (використання енергії біомаси). У загальному обсягу отримання електроенергії Данії вітроенергетика має 39%, а енергія біомаси – 35%.
Швеція – лідер по виробництву енергії з біомаси серед країн ЄС – 61 % від загального обсягу отримання енергії в країні (Австрія – 37%, Фінляндія – 32 %).
Норвегія – країна, яка також підтримує програми з екології та охорони довкілля, розвиває різноманітні альтернативні програми. Одна з них – перехід населення на електромобілі. В даному напрямку також працює й крихітна країна Бутан (Гімалаї).
Іран – сонячні та вітрові електростанції, незважаючи на багаті запаси нафти в країні. Індія також – сонячна енергетика. У сільській місцевості країни вже оцінили її переваги. Наразі уряд планує електрифікувати кожний будинок в країні, в основному за рахунок сонячних панелей, що забезпечить електроенергією більше 400 млн. мешканців.
Таким чином, як видно з прикладу світового досвіду впровадження альтернативної енергетики – це раціональне поєднання різних способів отримання енергії, в основу яких закладено використання відновлюваних джерел. Сьогодні вона не так розвинена, як традиційна енергетика, однак, поступове виснаження запасів корисних копалин призведе до неминучого переходу людства до використання альтернативної енергії.
Швеція має славу самої "зеленої" країни Європи. Вона давно і цілеспрямовано намагається відійти від нафтової залежності, на якій сьогодні базується вся сучасна економіка. І, як не дивно, це шведам майже вдалося.
Все почалося в 70-ті роки минулого століття. Як і інші країни Європи, шведи «жили не тужили», опалювали будинки нафтою, виробляли електрику з мазуту і заправляли машини бензином – загалом, були як всі.
На жаль, в 1973 році казка закінчилася, коли нафтовидобувні арабські країни, підвищили ціни на «чорне золото» на 400%. І якщо в перший рік орієнтованої на експорт промисловості ще вдавалося підтримувати високий рівень життя, то далі Швеція покотилася в прірву енергетичної кризи.
Уряду довелося терміново шукати вирішення проблеми.
Перший крок був очевидний – економія. Більшість підприємств в Швеції залишалися приватними а тому господарі були зацікавлені в дбайливому ставленні до настільки дорогих тепер енергоресурсів. По всій Швеції підприємці почали активно інвестувати в енергозберігаючі технології. За 10 років споживання енергії вдалося скоротити майже на 30%.
Загалом, спільними зусиллями кризу вдалося подолати. А там і ціни на нафту пішли вниз, так що життя, можна сказати, повернулася в звичну колію.
Але практичні шведи міркували по-іншому: північна країна з 9-мільйонним населенням, позбавлена власних запасів паливних копалин, неминуче буде залежати від коливань цін на світовому ринку енергоносіїв, і ніхто не може гарантувати, що криза 70-х не повториться і не буде ще більш глибокою. А з 1996 року ціни на нафту зросли в 3 рази.
Запропонована шведським урядом рішення вражало своєю простотою: якщо у нас немає своєї нафти, значить треба зробити так, щоб вона нам була взагалі не потрібна. Виходячи з цієї установки і почали діяти.
Насамперед серйозні зміни торкнулися національної енергетики. Уряд зробив ставку на розвиток системи АЕС. Сьогодні діючі в країні 10 атомних реакторів забезпечують приблизно половину виробництва електроенергії у Швеції. Майже 40% дають гідроелектростанції. На частку вугілля, нафти і газу, таким чином, залишається лише 10%.
Потім взялися за опалення. Швеція – країна північна, і питання це для неї аж ніяк не пусте. За підтримки держави установи та будинки звичайних громадян стали переходити на використання геотермальної енергії і теплових відходів. У результаті цього за 20 років рівень економії нафтопродуктів на виробництві тепла склав 70%.
Відповідні державні гранти надавалися в першу чергу лікарням і бібліотекам. Сьогодні податковими пільгами "за відмову від нафти" можуть скористатися й пересічні громадяни – якщо переведуть свої будинки на більш екологічний вид опалення. Схожі пільги незабаром планується поширити і на промислові об'єкти. А ось стимулювати власників авто, які використовують "зелене паливо", збираються не тільки податковими послабленнями, але і наданням права безоплатного паркування в межах міста.
Також всіляко заохочувалося використання для опалення відходів виробництва. У першу чергу це торкнулося чудово розвиненою в країні целюлозно-паперової і деревообробної промисловості (деревні ошурки, стружка, кора тощо).
В загальному енергобалансі країни на частку нафти і газу залишилося всього 32% (замість 77% на початку 70-х). І це при тому, що шведська економіка продовжує впевнено рости.
По використанню альтернативних джерел енергії Швеція сьогодні є лідером. Частка «зеленої енергії» в енергобалансі королівства вже становить понад 50 %. Для порівняння, в середньому по Європі – 17 %.
Серед природних багатств Швеції – ліс. Велика частина продукції лісового господарства і деревообробної промисловості відправляється на експорт. Відходи давно використовуються в енергетиці. Королівство міцно займає перше місце в Європі з виробництва деревних гранул – найзручнішого виду деревного палива для домашніх господарств.
Також шведські вчені експериментували з різними сортами ів, домагаючись створення такого дерева, яке максимально споживало б вуглець з атмосфери і давало максимальну енергетичну віддачу при переробці на "вербових" електростанціях. При цьому дерево мало дуже швидко зростати, щоб забезпечити відтворення вирубленого верболозу.
Успіху вдалося досягти за рахунок виведення гібрида сибірської кошикової верби. Вже на початку нового тисячоліття її "врожайність" довели до 30 тонн з гектара. За даними вчених з університету штату Нью-Йорк, штучні верби поглинають в 10-15 разів більше двоокису вуглецю, ніж дикі породи дерев. Посадки верби в Швеції займають 20 тис. га.
Таким чином, «вербова» енергетика являє собою виробництво замкнутого циклу. Плантація верби дає не тільки енергетичну деревину, але також і корм для тваринницьких господарств, які, в свою чергу, постачають плантації добривами, необхідними для підвищеної врожайності.
Між тим у Швеції намагаються знайти альтернативу й вербі. У шведському містечку Савер вчені експериментують з північно- американською сосною контортою. Втім, цілком імовірно, що й сосна – не остаточний вибір вчених. У багатьох країнах світу тривають експерименти з енергетичної травою. Особливо дослідників привертає можливість одержувати урожай кожен рік, не чекаючи поки виросте (нехай всього за 4-5 років) енергетичний ліс.
Наразі у Швеції також активно розвивається вітроенергетика.
ІІІ. Шляхи розвитку альтернативної енергетики в Україні
В Україні альтернативна енергетика має широку «палітру»: пряма сонячна енергія, вітер, вода, біомаса з високим енергетичним вмістом та інші. Утім, здебільшого в якості альтернативних джерел енергії у нас використовуються вітрова енергія, енергія сонця та води (гідроенергетика).
Чиста енергія: чи «пасує» Україні зелений колір? Поняття «чиста» енергія означає енергію, яка отримана з джерел із мінімальними викидами в атмосферу парникових газів, із використанням відновлюваних і альтернативних джерел енергії, а також енергію, яка була зекономлена в результаті підвищення енергоефективності.
В Україні частка енергії з відновлюваних джерел, за різними даними, становить лише від 2 до 4% загального обсягу енергоспоживання. Проте ця частка стрімко зростає. Очікується, що вже у 2020 році вона досягне 11%. Представимо перспективні напрямки альтернативної енергетики для України за допомогою таблиці 2.2.
Таблиця 2.2.
Альтернативна енергетика України
Вид енергетики |
Особливості використання |
Оптимальне географічне розташування |
Середня вартість електроенергіїї |
Сонячна енергетика |
Станції, що працюють на сонячній енергії (геліостанції), взагалі безшумні. Істотний недолік полягає в тому, що такі станції займають великі площі. Кожен 1 МВт потужності сонячної станції потребує відведення 2 га землі. Мінусом також є те, що вихід енергії – непостійний. |
На півдні України, де багато сонця і відкритих просторів |
4,0…4,5 грн/ кВт·год |
Вітроенерге-тика |
Вітрова енергетика набагато безпечніша, порівняно з іншими видами енергетики, для людини, якщо вона не живе в радіусі 1,5…2,0 км від головних генераторів. Ресурсів енергії вітру у 50 разів більше, ніж взагалі потрібно людству. Водночас вітряки є потенційною загрозою пташиному світу. Для України це особливо важливо, тому що зони, які б були ефективними для вітрової енергетики, співпадають із зонами сезонного перельоту птахів. Ще одним недоліком вітрових установок є їхня висока ціна. Дотого ж вітрогенератори створюють високочастотний шум і потребують більш-менш сталої швидкості вітру (понад 5 м/с). |
Південні регіони, узбережжя Азовського моря та Карпати |
1,0…1,25 грн/ кВт·год |
Гідроенерге-тика |
Гідроенергетика займає 8% у загальному енергетичному балансі країни, але нові об’єкти можуть потенційно розміщуватись у будь-якому регіоні (навіть найвіддаленішому), який має малі або великі річки. В Україні 22400 річок. Але лише 110 із них довші за 100 км. Тому основні ресурси гідроенергетики зосереджені на малих річках. |
||
Геотермаль-на енергетика |
У серпні 2015 р. між Україною та Ісландією підписано меморандум про співробітництво у сфері геотермальної енергетики. Річний технічно досяжний тепловий потенціал геотермальної енергії в Україні еквівалентний близько 90 000 млн кВт·год/рік. За даними Інституту відновлюваної енергетики НАН України, значний технічно досяжний енергетичний геотермальний потенціал мають такі області: Харківська – 7350 млн кВт·год/рік; Полтавська – 7139 млн кВт·год/рік; Херсонська – 7049 млн кВт·год/рік; Сумська – 6976 млн кВт·год/рік; Закарпатська – 6919 млн кВт·год/рік; Львівська – 6439 млн кВт·год/рік; Рівненська – 6024 млн кВт·год/рік. |
||
Енергія біомаси |
До недоліків можна віднести те, що процес спалювання біомаси є менш екологічним порівняно з природним газом. Проте біомаса є більш екодружньою ніж вугілля. Загальна токсичність її продуктів згорання менша у 2 рази порівняно з вугіллям. Значний потенціал для розвитку біоенергетики сьогодні мають відходи сільського господарства (солома зернових, лушпиння та стебла соняшника тощо), відходи деревини (тріска, щепа і т. ін.), а в перспективі – енергетичні культури (верба, тополя тощо), що вирощуються переважно в Івано-Франківській, Львівській, Тернопільській, Волинській та Рівненській областях. За рахунок цього потенціалу можна забезпечити до 18% загального обсягу споживання первинних енергоносіїв в Україні. |
4,0…4,5 грн/ кВт·год |
|
Вторинні джерела енергії |
Вітрова енергетика набагато безпечніша, порівняно з іншими видами енергетики, для людини, якщо вона не живе в радіусі 1,5…2,0 км від головних генераторів. Ресурсів енергії вітру у 50 разів більше, ніж взагалі потрібно людству. Водночас вітряки є потенційною загрозою пташиному світу. Для України це особливо важливо, тому що зони, які б були ефективними для вітрової енергетики, співпадають із зонами сезонного перельоту птахів. Ще одним недоліком вітрових установок є їхня висока ціна. Дотого ж вітрогенератори створюють високочастотний шум і потребують більш-менш сталої швидкості вітру (понад 5 м/с). Усунути недоліки під час використання вітрової енергії можна шляхом будівництва «офшорних» вітрових установок – вітрових турбін, розташованих у морі. |
Південні регіони, узбережжя Азовського моря та Карпати |
1,0…1,25 грн/ кВт·год |
Отже, важливо правильно оцінювати можливості альтернативних джерел енергії і розуміти, що наразі вони не можуть замінити традиційні викопні види палива повною мірою. Це можна пояснити надзвичайно великими обсягами енергії, що споживаються у промисловості, переробній галузі та сфері ЖКГ.
Отримана з вітру, води та інших джерел чиста енергія використовується вже майже 2000 років. Вітер та вода є найбільш відомими в історії джерелами такої енергії. Більшість із відновлюваних джерел енергії використовується для генерування електроенергії. Ми маємо усвідомити: чим більше у промисловості, ЖКГ та інших галузях використовується відновлюваних джерел енергії, тим меншою є необхідність у викопному паливі та тим чистішою є наша енергія.
Для України біоенергетика є одним із стратегічних напрямків розвитку сектору відновлюваних джерел енергії, враховуючи високу залежність країни від імпортних енергоносіїв, в першу чергу, природного газу, і великий потенціал біомаси, доступної для виробництва енергії (рис.3.1).
В Україні щорічно збирається понад 50 млн. т зернових культур. У значних обсягах солома і рослинні відходи, як побічні продукти сільськогосподарського рослинництва. Річний технічно-досяжний енергетичний потенціал твердої біомаси в Україні є еквівалентним 18 млн. т н.е., а його використання дає змогу щорічно заощаджувати близько 22 млрд. м. куб. природного газу. Найбільший потенціал твердої біомаси зосереджений у Полтавській, Дніпропетровській, Вінницькій та Кіровоградській областях і становить понад 1,0 млн. т н.е./рік.
Рис.3.1. Потенціал енергетичної біомаси в Україні
Для визначення виходу соломи і рослинних залишків використовують коефіцієнт відходів – відношення урожаю соломи або стебел рослин до урожаю зерна. За різними оцінками, на кожну тонну зерна можна отримати 1,5-2,0 т соломи або рослинних залишків. 50-60% соломи пшениці, ячменю, жита використовується для утримання худоби та удобрення ґрунтів, а стебла кукурудзи та соняшнику залишаються на полях після збирання врожаю. Таким чином, в Україні є достатній енергетичний потенціал соломи і рослинних відходів. Значна частина соломи після збирання пресується у тюки, брикети та пелети і використовується для опалення. На 14 підприємствах олійної промисловості спалюється понад 500 тис. т лушпиння соняшнику і 120 тис. т його гранулюється. Лісистість території України становить близько 16% її загальної площі. Щорічно заготовляється 16-17 млн. м ділової деревини; відходи переробки деревини складають до 10 млн. м. куб. На даний час близько 70% відходів деревини у вигляді тирси, трісок, пелет і брикетів використовується як біопаливо.
Таким чином, Україна має необхідні умови для виробництва рідких біопалив, як за земельними ресурсами і рослинним потенціалом, так і за наявністю власних виробничих потужностей.
Досліджуючи існуючі альтернативні джерела у світі та в Україні, зважаючи на їх переваги недоліки у використанні, пропонуємо найбільш багатообіцяючі технології майбутнього.
Космічні сонячні станції (рис.3.2). Щогодини земля отримує стільки сонячної енергії, більше, ніж земляни її використовують за цілий рік. Один із способів використання цієї енергії – створення гігантських сонячних ферм, які будуть збирати частина високоінтенсивного та безперебійного сонячного випромінювання. Величезні дзеркала будуть відбивати сонячні промені на колектора меншого розміру. Потім ця енергія буде передаватися на землю з допомогою мікрохвильових або лазерних пучків.
Одна з причин, чому цей проект знаходиться на стадії ідеї – це його величезна вартість. Тим не менш, він може стати реальністю навіть не такий віддалений час через стрімкий розвиток геліотехнологій і зменшення вартості виведення електростанції у космос.
Рис.3.2. Космічні сонячні станції
У світі вже є пристрій, який заряджається людиною (Пристрій зарядки телефону від енергії дихання AIRE), але вчені працюють над тим, як отримати енергію від звичайного руху. Мова йде про мікроелектроніку, але потенціал великий, при цільовій аудиторії в мільярд людей. Сьогодні розробляється електроніка, споживає все менше енергії і одного разу можливо, ваш телефон буде заряджатися, бовтаючись в сумці, в кишені або в ваших руках і при водінням пальцем по екрану.
У національній лабораторії Лоуренса в Берклі вчені представили пристрій, віруси використовують для трансформації тиску в електрику. Це звучить неймовірно, але поки пояснити, як це працює неможливо. Так само є невеликі переносні системи пасивно виробляють енергію під час вашого руху. Звичайно, енергія людини не врятує від глобального потепління, але може зменшити тиск на довкілля будь-яка дрібниця.
Енергія хвиль та припливів. Приборкання всієї енергії руху океану могло б зарядити весь світ кілька разів, тому понад 100 компаній працюють над цим. Сьогодні через пріоритет на енергію сонця і вітру, приливну енергетику витіснили з перших рядів, але вона стає більш ефективною.
Рис. 3.3. Енергетичний проект «Устриця»
Наприклад, проект «Устриця» - це шарнірний клапан на дні океану, потужністю 2,4 МВт, який відкриваючи і закриваючи, качає воду на берег, де вона призводить в рух стандартну гідроелектричну турбіну (рис. 3.3). Одна така установка могла б забезпечити енергією цілий мікрорайон або пару великих багатоповерхівок, тобто, близько 2500 сімей.
Ще один приклад, крилоподібна турбіна «Термінатор», яку створив інженер з військово-повітряної академії США. Вона використовує принцип підйомної сили, а не гвинтове обертання, що теоретично дозволяє їй збирати 99% енергії хвиль, на відміну від 50%-ої ефективності нинішніх приливних станцій.
У місті Перт в Австралії, вперше встановили опріснювальні установки, які працюють від енергії хвиль. Вони забезпечують прісною водою 500 тис. жителів.
Водень. Водень, найпоширеніший елемент у всесвіті, містить в собі багато енергії, при тому, що двигун, який спалює чистий водень практично не виробляє викидів. Ось чому довгі роки NASA заправляла їм «Шатли» і деякі модулі «МКС».
Ми не заправляємо їм звичайні двигуни лише тому, що на нашій планеті він існує тільки у зв’язаній формі. Наприклад, вода, яку ми п’ємо. «Боїнг» протестував свої літаки на водні.
Після відділення водень можна закачати в мобільні паливні комірки і помістити їх на автомобілі для прямої генерації електрики. Такі автомобілі виробляються досить великими партіями.
«Хонда» планує підкреслити універсальність свого нового авто на паливних осередках підключивши його до електромережі будинку в Японії, але не для висмоктування електроенергії з мережі, як це роблять електромобілі суперники, а навпаки, для забезпечення енергією.
За запевненням «Хонди» одна така повністю заправлена машина здатна живити енергією цілий будинок протягом тижня або проїхати 480 км без дозаправки. Головна перешкода – відносно висока вартість таких машин і недолік таких заправок. Хоча в Каліфорнії таких планують побудувати 70, у Південній Кореї їхня скоро буде 43 і Німеччина націлена на сотню до 2017 року.
Термальна енергетика. В Ісландії, в рамках проекту глибокого буріння знайшли цілий скарб підземного сховища магми. Розпечена магма миттєво перетворила закачану воду в пару 450 С0, що стало рекордом. Цей пар високого тиску збільшив вироблення енергії в 10 разів. Вражаючий результат, який повинен привести до гігантського стрибка ефективності вироблення геотермальної енергії по всьому світу.
Ядерні відходи. Атомні електростанції являють собою традиційні ядерні реактори, які використовуються вже протягом десятиліття, відповідаючи за 20% споживаної енергії в США. Реактори побудовані за так званою «легководною» технологією. Вода оточує паливні стрижні, тим самим сповільнюючи нейтрони і підтримуючи стійку ядерну реакцію.
Але ця система вкрай неефективна. Лише 5% атомів урану в стрижнях використовується до кінця їх терміну служби. Весь невикористаний радіоактивний уран йде в скарбничку радіоактивних відходів.
Але тепер у нас є більш ефективна технологія швидких реакторів, де стрижні занурені не в воду, а в рідкий натрій. Завдяки цьому використовується 95% урану, замість не прийнятно низької ефективності 5%. Цей метод дозволить вирішити гігантську проблему позбавлення від 77000 т радіоактивних відходів, так як ці реактори можуть використовувати їх повторно.
З кожним днем виробництво і установка сонячних батарей стає все дешевше, що веде до їх широкому поширенню. Європа на чолі з Німеччиною, лідер перетворення енергії сонця в електрику. У звичайний сонячний день 2012 року Німеччина виробила стільки ж енергії від сонця, як від 20 АЕС, що достатньо для забезпечення половини країни.
Сьогодні Іспанія отримує 50% енергії з поновлюваних джерел, таких як сонце. Каліфорнійська пустеля батьківщина найбільшої у світі сонячної електростанції, чия потужність була збільшена на 500% раз з 2010 по 2014 роки.
Дослідники з національної лабораторії «Лос –Аламос» здійснили значний прорив у технології фотоелементів на квантових точках, що дозволить високоефективним сонячним панелям працювати і як прозоре скло (рис. 3.4.). Коли ця технологія подешевшає достатньо в найближчі пару років, щоб вийти на масовий ринок, будь освітлюване сонцем вікно можна перетворити в мініатюрну сонячну станцію.
Рис. 3.4. Сонячні панелі як прозоре скло
Вже сьогодні ми отримуємо достатню кількість енергії з вітру, але завдяки висячій вітряній турбіні на висоті 300-600 м над землею, де вітер сильнішмй і стійкіший ми могли б отримувати цю енергію набагато ефективніше (рис.3.5).
Рис. 3.5. Висяча вітряна турбіна
Схема проста. Прив'язаний до землі м’який кільцевий дирижабль з турбіною посередині, який буде виробляти енергію в два рази більше ніж стаціонарний вітряк такого ж розміру.
Рис. 3.6. Термоядерний синтез
На відміну від атомного розподілу ядерний синтез, не виробляє ні яких смертельних ядерних відходів, так як він зливає атоми разом, а не розщеплює їх. Отже, відсутня загроза некерованої реакції, здатної призвести до розплавлення активної області реактора. Однак, легше сказати, ніж зробити.
Один з лауреатів Нобелівської премії описав термоядерний синтез, як спробу засунути сонце в коробку. Ідея хороша, ось тільки ми не знаємо, як зробити коробку.
Це не зупиняє приватні компанії уряду від виділення мільярдів для дослідження технологій у вирішенні даних проблем. І якщо будуть подолані ці труднощі, то термоядерний синтез забезпечить світ практично невичерпною енергією.
Ось чому найбагатші уряду об'єдналися заради втілення неоднозначного проекту міжнародного експериментального термоядерного реактора «ІТЕР» розташованого у Франції. Цей проект для людства є дуже важливий.
Висновки
Зараз, як ніколи раніш, гостро постало питання: що чекає на людство – енергетичне голодування чи енергетичне забезпечення? Очевидно, що зараз людство переживає енергетичну кризу: бажані потреби людства у електричній енергії у декілька разів перевищують виготовлення! І це при тому, що остання цифра є майже фантастичною - 27-30 трлд. кіловат-годин щороку. Матеріальні потреби людства як і популяція людей постійно збільшуються, тому потреба у енергії збільшується геометрично. Засоби масової інформації постійно інформують нас про винайдення різноманітних нових, більш екологічно чистих способів добути енергію. Але ж в чому тоді причина повільного зростання частки таких джерел у загальному видобутку енергії. Справа у тому, що досі не знайдено джерела енергії, більш рентабельного за найдавніший спосіб видобутку енергії – спалення. І зараз 80% всієї енергії людство отримує спалюючи вугілля, нафту та нафтопродукти, природній газ, торф тощо. Але тих запасів енергії, що природа накопичувала сотні мільйонів років, вистачить лише на декілька сот років.
Сьогодні вчені шукають якомога рентабельніші джерела, котрі б використовували відновлювані ресурси і котрі б змогли хоча б частково замінити паливні. Найбільш підходять такі джерела як використання енергії текучої води та вітру, океанських припливів та відпливів, тепла земних надр та, звичайно, енергії Сонця. Також багатообіцяючими є дослідження, метою яких є спроба повторити термоядерні процеси, що відбуваються на зірках.
Додаток А
Додаток Б
Паливні ресурси України
В Україні найбільш розповсюджене тверде паливо – в основному, кам’яне та буре вугілля. Основні запаси кам’яного вугілля зосереджені в Донецькому (98%) і Львівсько-Волинському (2%) басейнах.
Умови залягання вугілля в Донбасі є складними: глибина – 1200 м, товщина пласта – 0,5…2,0 м, висока крутизна падіння пластів, що ускладнює видобуток вугілля і зумовлює його високу ціну. Видобуток вугілля у Львівсько-Волинському басейні менш складний, товщина пластів тут досягає 2 м і запаси становлять 1 млрд тонн. Запаси бурого вугілля зосереджені переважно в Придніпровському басейні. Найбільшими родовищами є Коростишівське (Житомирська обл.), Звенигородське (Черкаська обл.) та Олександрійське (Кіровоградська обл.). Запаси оцінюються у 2…6 млрд тонн, у тому числі 0,5 млрд тонн придатні для відкритого видобутку. Деякі його запаси є в Донбасі, Закарпатті, на Поділлі.
Родовища нафти і газу зосереджені в трьох регіонах: Придніпровському, Прикарпатському і Причорноморському. Основні запаси містяться на північному сході України. В Україні налічується 214 нафтових і газових родовищ.
В Україні є понад 2500 родовищ торфу, запаси якого оцінюють у
2,2 млрд тонн. Поклади торфу розміщені, в основному, у Волинській, Рівненській, Київській, Чернігівській і Львівській областях.
Додаток В
Забруднення довкілля від ТЕС
Щодо шкідливості ТЕС, то під час згоряння палива в теплових двигунах виділяються шкідливі речовини: закис вуглецю, сполуки азоту, сполуки свинцю, а також виділяється в атмосферу значна кількість теплоти. Крім того, застосування парових турбін на ТЕС потребує відведення великих площ під ставки, в яких охолоджується відпрацьована пара. Щорічно у світі спалюється 5 млрд. тонн вугілля і 3,2 млрд. тонн нафти, це супроводжується викидом в атмосферу 2-10'°Дж теплоти. Запаси органічного палива на Землі розподілені вкрай нерівномірно, і за теперішніх темпів споживання вугілля вистачить на 150—200 років, нафти - на 40—50 років, а газу приблизно на 60 років. Весь цикл робіт, пов'язаних з видобутком, перевезенням і спалюванням органічного палива (головним чином вугілля), а також утворенням відходів, супроводжується виділенням великої кількості хімічних забруднювачів. Видобуток вугілля пов'язаний із чималим засоленням водних резервуарів куди скидаються води із шахт. Крім цього, у воді, що відкачується, містяться ізотопи радію і радон. ТЕС, хоча й має сучасні системи очищення продуктів спалювання вугілля, викидає за один рік в атмосферу за різними оцінками від 10 до 120 тис. тонн оксидів сірки, 2—20 тис. тонн оксидів азоту, /700—1500 тонн попелу (без очищення — в 2т-3 рази більше) і виділяє 3—7 млн. тонн оксиду вуглецю. Крім того, утворюється понад-300 тис. тонн золи, яка містить близько 400-т токсичних металів (Арсену, кадмію, свинцю, ртуті). Можна відзначити, що ТЕС, яка працює на вугіллі, викидає в атмосферу більше радіоактивних речовин, ніж АЕС такої самої потужності. Це пов'язано з викидом різних радіоактивних елементів, що містяться у вугіллі у вигляді вкраплень (радій, торій, полоній та ін.). Для кількісної оцінки дії радіації вводиться поняття «колективна доза», тобто добуток значення дози на кількість населення, що зазнало впливу радіації. Виявилося, що на початку 90-х років минулого століття щорічна колективна доза опромінення населення України за рахунок теплової енергетики становила 767 люд/зв і за рахунок атомної— 188 люд/зв. У наш час в атмосферу щорічно викидається 20—30 млрд. тонн оксиду вуглецю. Прогнози свідчать, що при збереженні таких темпів у майбутньому до середини століття середня температура на Землі може підвищитися на декілька градусів, що призведе до непередбачених глобальних кліматичних змін.
Список використаної літератури
1. Бобров Є. А. Енергетична безпека держави / Є. А. Бобров ; Ун-т економіки та права, ВНЗ “КРОК”. – Київ, 2013.
2. Кириленко О. В. Енергетична безпека України в умовах поточної української кризи [Електронний ресурс] / О. В. Кириленко // Вісн. Нац.акад. наук України. – 2014.
URL - адреси використаних веб – ресурів:
https://www.youtube.com/watch?v=Fcez5FrwCEY
http://rodovid.me/energy/10-istochnikov-energii-buduschego.html
http://www.interergo.ru/energetika-budushhego/
http://www.studfiles.ru/preview/5726668/
http://spp-dtek.com.ua/wp-content/uploads/2015/05/Rezultaty-Dnipro-obl+Energ-final.pdf