Фізика та екологія. Альтернативні джерела енергії

План-конспект заняття гуртка «Юні екологи» ІІ рік навчання

Розділ: 5. Екологія та економіка

Тема: Альтернативні джерела енергії

Мета заняття:

- забезпечити засвоєння нових знань;

- розвивати пізнавальну активність вихованців гуртка, прагнення покращити стан довкілля,  розвивати екологічне мислення;

- виховувати шанобливе ставлення до природи.

Тип заняття: засвоєння нових знань.

Форма заняття: розповідь, бесіда, інтерактивне спілкування, демонстрація наочного матеріалу.

Матеріали, обладнання: ноутбук, презентація до теоретичної частини, дошка, кольорові стікери

Джерела інформації: матеріали з Інтернету, матеріали преси

Хід заняття   

1. Організація навчально-виховного процесу.

2. Теоретична частина:

 Перед людством постійно стоїть проблема енергозабезпеченості свого існування. З кількісним і якісним зростанням комфортності життя людини збільшуються й енергетичні потреби. Протягом півтора століття світове споживання енергетичних ресурсів у розрахунку на одного жителя планети збільшилося у 24,5 рази. Це зумовлює катастрофічне скорочення обсягів накопичених за мільйони років традиційних енергоресурсів (нафти, газу, вугілля). У зв'язку з цим об'єктивно загострюється проблема пошуку інших, альтернативних джерел енергії.

Альтернативні джерела енергії — будь-яке джерело енергії, яке є альтернативою викопному паливу.

Це поновлювані джерела, до яких відносять енергію сонячного випромінювання, вітру, приливної хвилі, течії річок, біомаси, теплоти Землі та вторинні енергетичні ресурси, які існують постійно або виникають періодично у довкіллі.

 2.1. Дали виступають 4 доповідачів зі своїми заздалегідь заготованими доповідями по 4 розділам:

- Біогаз, рідке біопаливо;

- Хвильова енергетика;

- Сонячна енергетика;

- Вітроенергетика.

 Керівник гуртка в разі потреби доповнює їх розповіді, уточнює, як саме розвивається та чи інша галузь на Україні.

1). Біопаливо — органічні матеріали, як-от деревина, відходи та спирти, які використовуються для виробництва енергії. Офіційне визначення біопалива— будь-яке паливо, яке містить не менш ніж 80% матеріалів, отриманих від живих організмів, зібраних у межах десяти років перед виробництвом.

 Сільськогосподарська продукція, яку вирощують для використання як біопаливо, включає кукурудзу і сою (передусім у США), льон та ріпак (перш за все в Європі), цукрову тростину в Бразілії й пальмову олію в Південно-Східній Азії.

 Біопаливо поділяють на тверде, рідке і газоподібне. Тверде — це традиційні дрова (часто у вигляді відходів деревообробки) і паливні гранули (пресовані дрібні залишки деревообробки).

Біогаз — різновид біопалива — газ, який утворюється при мікробіологічному розкладанні метановим угрупованням біомаси чи біовідходів, твердих і рідких органічних відходів: на звалищах, болотах, каналізації, вигрібних ямах тощо. Добувають з відходів тваринництва, харчової промисловості, стічних вод та твердих побутових відходів (відсортованих, без неорганічних домішок, та домішок неприродного походження). Тобто застосовувати можна будь-які місцеві природні ресурси.

Одним з перспективних джерел енергії є звалищний газ, що утворюється в результаті розкладання органічної частини твердих побутових відходів в анаеробних умовах, що виникають невдовзі після їхнього санітарного поховання. Тільки в містах утворюється 400-450млн т твердих побутових відходів на рік. Потенціал звалищного газу в країнах Європейського Союзу наближається до 9млрд м³/рік, у США— 13млрд м3/рік, в Україні— близько 1млрд м3 на рік. Зі звалищ може бути добутий за допомогою свердловини і вакуум-насосів.

У 2012 році була введена в дію перша в Україні біогазова електростанція потужністю 2 МВт на 5-му полігоні твердих побутових відходів, поблизу с. Підгірці (Київська область).

 У багатьох країнах Європейського союзу й світу біогаз є суттєвою складовою їх енергобалансу. Україна має значний енергетичний ресурс для вироблення біогазу.

 Виробництво біогазу дозволяє скоротити кількість викидів метану в атмосферу. Метан вносить серйозні корективи до стану атмосфери Землі. Формується так звана «лінза» зі всіляких газів і особливо з'єднань вуглецю, яка перешкоджає виходу тепла в космічний простір. Таким чином, тепло концентрується в самій атмосфері, і на планеті стає все спекотніше і спекотніше. В цьому процесі метан має в 21 раз сильніший негативний вплив, ніж двоокис вуглецю. Таким чином, виробництво біогазу і подальше його використання для виробництва тепла і електроенергії є найефективнішим засобом боротьби з глобальним потеплінням. Біомаса, яка залишається після переробки відходів може використовуватись в сільському господарстві як добриво. Причому такі добрива значно краще і ефективніше впливають на ґрунт, на розвиток рослин та на ґрунтові води, на відміну від штучних добрив.

 Рідке біопаливо— це спирти (метанол, етанол, бутанол), ефіри, біодизель та біомазут.

 Біопаливо сьогодні розглядається в Україні як вагома альтернатива традиційному пальному. Вважається, що його виготовлення в найближчі роки буде максимально вигідним для української економіки. Виготовлення готового продукту є набагато вигіднішим для України, ніж експорт сировини.

 2). Хвильова електростанція — електростанція, розташована в водному середовищі, метою якої є отримання електроенергії з кінетичної енергії хвиль. Потенціал хвиль оцінюється в понад 2 млн МВт. Місця з найбільшим потенціалом для хвильової енергетики: західне узбережжя Європи, північне узбережжя Великої Британії та Тихоокеанське узбережжя Північної, Південної Америки, Австралії та Нової Зеландії, а також узбережжя Південної Африки.

 Припливна електроста́нція (ПЕС) — особливий вид гідроелектростанції, що використовує енергію припливів, а фактично кінетичну енергію обертання Землі у залежності від інших астрономічних тіл. Припливні електростанції будують на узбережжі морів, де гравітаційні сили Місяця та Сонця двічі на добу змінюють рівень води. Коливання можуть досягати 13 метрів.

 Розташування припливних електростанцій в гирлах річок, має значний вплив на екосистему. Через це багато урядів останнім часом неохоче дають згоду на будівництво таких станцій.

 ПЕС є у Франції, Великій Британії, Канаді, Китаї, Індії, США та інших країнах.

 3). Сонячна енергетика — використання сонячної енергії для отримання електричної або теплової енергії в будь-якому зручному для їх застосування вигляді.

Переваги сонячної енергетики

• Загальнодоступність і невичерпність джерела.
• Теоретично, повна безпека для довкілля (проте в наш час у виробництві фотоелементів і в них самих, використовуються шкідливі речовини).

 Недоліки сонячної енергетики

                 Через відносно замалу величину сонячної постійної, для сонячної енергетики потрібне використання великих площ землі під електростанції (наприклад, для електростанції потужністю 1 Гвт, це може бути декілька десятків квадратних кілометрів). Проте, цей недолік не такий великий, наприклад, гідроенергетика виводить з користування значно більші ділянки землі. До того ж фотоелектричні елементи на великих сонячних електростанціях встановлюються на висоті 1,8-2,5 метра, що дозволяє використовувати землі під електростанцією для сільськогосподарських потреб, наприклад, для випасу худоби.

Проблема знаходження великих площ землі під сонячні електростанції вирішується у разі застосування сонячних аеростатних електростанцій, придатних як для наземного, так і для морського і для висотного розташування.

 Потік сонячної енергії на поверхні Землі дуже залежить від широти і клімату. У різних місцевостях, середня кількість сонячних днів в році, може дуже сильно відрізнятися.

                 Сонячна електростанція не працює вночі і недостатньо ефективно працює у ранкових і вечірніх сутінках. При цьому пік електроспоживання припадає саме на вечірні години. Крім того, потужність електростанції може стрімко і несподівано коливатися через зміни погоди. Для подолання цих недоліків потрібно або використовувати ефективні електричні акумулятори (дотепер це невирішена проблема), або будувати гідроакумулюючі станції, які теж займають велику територію.

Проблема залежності потужності сонячної електростанції від часу доби і погодних умов вирішується у разі сонячних аеростатних електростанцій.

                 Висока ціна сонячних фотоелементів. Ймовірно, з розвитком технології цей недолік подолають.

                 Недостатній ККД сонячних елементів (ймовірно, буде незабаром збільшений).

                 Поверхню фотопанелей потрібно очищати від пилу і інших забруднень. За їх площі в декілька квадратних кілометрів, це може викликати утруднення.

                 Ефективність фотоелектричних елементів помітно зменшується при їх нагріванні, тому виникає потреба в установці систем охолоджування, зазвичай водяних.

 З кожним роком експлуатації ефективність фотоелектричних елементів знижується.

                 Екологічні проблеми

 Незважаючи на екологічну чистоту отримуваної енергії, самі фотоелементи містять отруйні речовини, наприклад,свинець, кадмій, галій, миш’як тощо, а їх виробництво споживає велику кількість інших небезпечних речовин. Сучасні фотоелементи мають обмежений термін служби (30-50 років), і масове їх застосування поставить найближчим часом складне питання їх переробки.

Сонячна енергія широко використовується для нагрівання води.

 Геліотермальна енергетика — нагрівання поверхні, що поглинає сонячні промені і подальший розподіл і використання тепла (фокусування сонячного випромінювання на ємності з водою для подальшого використання нагрітої води в опалюванні або в парових електрогенераторах).

Сонячну енергію можна використовувати для отримання тепла безпосередньо без перетворення на електричну. Установки, які збирають, зберігають і передають тепло, називаються сонячними колекторами. У цьому разі, на даху будинку, або з його південного боку, встановлюється панель, що складається з трубочок, по яких в спеціальний бак-акумулятор подається вода. Сонце нагріває воду в трубах до 60-70° С, яка накопичується в баку, а звідти надходить для обігріву або гарячого водопостачання.

4). Вітроенергетика

Вітрова електростанція (ВЕС) — електростанція, яка за допомогою вітрової турбіни перетворює механічну енергію вітру на електричну. Основні види вітрогенераторів – горизонтальні “крильчасті” і вертикальні генератори карусельного типу.

Недоліки вітроелектростанцій

Вітер дме майже завжди нерівномірно. Отже, генератор буде працювати нерівномірно, віддаючи то більшу, то меншу потужність, струм буде вироблятися змінної потужності, а то й цілком припиниться, і можливо, саме тоді, коли потреба в ньому буде найбільшою. Будь-який вітроагрегат працює на максимальній потужності лише певний час, а в інші години він або працює не на повну потужність, або взагалі простоює. Для вирівнювання віддачі струму застосовують акумулятори, але це як уже відзначалося, і дорого, і малоефективно.

Відповідно вітрові електростанції не можуть самі по собі бути надійною основою енергетики. Вони або доповнюють основні потужності, роблячи певний внесок у виробництво необхідної електроенергії, або ж є джерелом електрики у віддалених чи ізольованих місцях, де складно чи неможливо забезпечити постачання електроенергії іншим чином. Також через невисоку потужність вітряків, вітроелектростанції вимагають значних територій для розміщення вітрових установок.

Робота вітроелектростанцій впливає на роботу телевізійної мережі, виникають викривлення сигналу.

Протягом останнього десятиліття в світовій енергетиці безперечну першість за темпами розвитку незмінно утримує саме вітроенергетика. Темпи приросту сумарної потужності ВЕС протягом останніх років коливаються у межах 20-30% щороку. Лідером у цій справі є США.

 Сучасний стан та перспективи вітроелектростанцій в Україні

 Існуючі на сьогоднішній день в Україні потужності вітрових електростанцій перевищують 51 МВт. За оцінками фахівців, загальна потенційна потужність української вітроенергетики становить 5000 МВт.

 Підраховано, що за нинішнього рівня розвитку вітроенергетики спорудження у «вітряних» регіонах України вітрових електростанцій (ВЕС) дозволило б покрити ледве не третину потреби електроенергії, яку ми споживаємо. Із технічної точки зору вітрова електроенергетика на сьогодні вже впритул наблизилася до традиційної: на сучасних вітрових турбінах коефіцієнт використання встановленої потужності сягає 42%. Це майже стільки, як на турбінах поширених нині теплових електростанцій.

 За показником потужностей встановлених ВЕС Україна на п'ятому місці в Європі.

 2.2. Слово бере керівник гуртка.

 На Дніпропетровщині реалізують проекти з використання альтернативних видів енергії. Тренд 2019 – будівництво сонячних електростанцій. Найбільша в Україні запрацювала у квітні в Нікопольському районі. Ще одну СЕС нині зводять у Широківському районі, поблизу села Шестірня. Вона вироблятиме 7 МВт на годину. Зараз у розпалі – монтаж сонячних панелей на величезному майданчику площею 21 га. Всі роботи – коштом іноземних інвесторів.

Особливості розбудови, переваги й недоліки ВЕС та СЕС

 Гібридні системи ВЕС/СЕС – вітрогенератор, укомплектований сонячними батареями з акумуляторами. Забезпечується взаємна «підстраховка» альтернативних джерел енергії (вітер вночі і вдень, сонце вдень, накопичувач – в будь-який час). Контролер регулює ступінь зарядки акумуляторів і управляє процесами взаємодії системи.

Для розміщення гібридних станцій, в залежності від потужності, потрібна кількість землі дорівнює загальній кількості відповідно площі під фотоелектричні панелі і площі під вітрогенератори. Вимоги до ландшафту все ті ж: не затінюємо від сонця і не перешкоджаємо вітру.

Сонячні панелі застосовують не лише для великих СЕС, але й для малих господарств, навіть і для невеличких приватних будинків. В цьому їх велика перевага. Встановлення сонячних панелей на даху будинків стає популярнішим з кожним роком. Використовуючи таку енергію можна повністю або частково відмовитися від традиційних джерел енергії у побуті. Власна сонячна електростанція чи встановлена власна генеруюча установка дозволяє не лише економити на оплаті електроенергії, а й отримувати прибуток, віддаючи надлишки у загальну мережу. Встановити власну СЕС і продавати електроенергію за «зеленим» тарифом може кожен побутовий споживач. Величина встановленої потужності генеруючої установки не має перевищувати 30 кВт.

За відновлювальною енергією - майбутнє енергетики. У цьому переконується світ, і все більше в Україні. Тому все частіше наші громадяни використовують електричну енергію, вироблену з альтернативних джерел енергії – сонця і вітру. Найбільш популярною і доступною є саме сонячна енергія.

3. Практична частина

Керівник гуртка розліновує на дошці 4 стовпчики, які підписані:

- біопаливо,

- хвильова енергетика,

- Сонячна енергетика,

- вітрова енергетика,

й пропонує гуртківцям записати на червоних стікерах по одному реченню - недоліки використання цих джерел енергії для розбудови електростанцій на Україні, а на зелених — переваги. Вихованці по парам обговорюють завдання. Виносячи стікери до дошки, вони оголошують свої заключення. Потім усі разом з керівником підсумовують загальні висновки.

Висновки:

1. Хвильова енергетика в географічних умовах України буде неприпустима.

2. Перспективним є розвиток видобутку електроенергії на біопаливі з органічних відходів.

3. У вітрової та Сонячної енергетики є свої великі переваги та недоліки при будівництві великих електростанцій. Найбільш ефективним буде використовувати гібридні системи та активніше розвивати малі форми зеленої енергетики.

4. Домашнє завдання

А тепер давайте ми з вами створимо уявні проекти розбудови альтернативних енергетичних установ у нас на Криворіжжі. Обміркуйте, які саме електростанції можна було б побудувати і де саме. Які у нас є умови й ресурси для тих чи інших електростанцій або опалювальних приладів. Це – ваше домашнє завдання. Ваші доповіді заслухаємо і обговоримо на наступному занятті у формі аукціону ідей.