Можете назвать каким путём вырабатывается электрическая энергия?
Электрическая энергия не существует в природе в готовом для использования виде. Её нельзя откопать, как полезное ископаемое — нефть или уголь. Поэтому необходимую для производственных и бытовых нужд электрическую энергию человек научился получать из других видов энергии: механической, тепловой, световой, энергии химического процесса. Её необходимо получать из других видов энергии. Устройства, служащие для получения электрической энергии, называются источниками электрической энергии или источниками тока.
Рис. 1. Источники электрической энергии: а — гальванический элемент, б — батарея гальванических элементов, в — аккумулятор, г — электрогенератор
Основная часть используемой человеком электроэнергии вырабатывается из механической энергии специальными электромеханическими машинами — электрогенераторами. В электрогенераторе механическая энергия турбины — вращающегося колеса специальной конструкции — преобразуется в электрическую энергию. Турбина вращается силой падающей воды — на гидростанциях, паром — на тепловых электростанциях, силой ветра — на ветряных электростанциях, двигателем внутреннего сгорания — на борту самолёта.Источником электрической энергии на космических станциях являются фотоэлементы, преобразующие солнечную энергию в электрическую. Переносными источниками электрической энергии являются гальванические элементы, аккумуляторы, а также батареи из них. В них электрическая энергия получается за счёт химического процесса взаимодействия разнородных металлов с особым веществом — электролитом. Существуют ещё малогабаритные механические генераторы, работающие от мускульной силы рук или ног человека, например генератор для велосипедной фары. Основная часть электрической энергии вырабатывается на электростанциях, на которых для производства электроэнергии используют различные виды энергоресурсов. Традиционными и самыми распространёнными являютсягидроэлектростанции (ГЭС) (рис. 2), использующие энергию движущейся воды; тепловые электростанции (ТЭС) (рис. 3), использующие энергию топлива (например, угля, газа, дизельного топлива); атомные электростанции (АЭС) (рис. 4), использующие энергию атомных реакций.
Одной из самых мощных промышленных отраслей является энергетическая отрасль. Производство энергии связано с использованием различных природных ресурсов. Главным образом это ископаемое топливо, радиоактивные элементы и потенциальная энергия воды.
Гидроэлектростанции. Гидроэлектростанции (ГЭС) представляют собой наиболее простые устройства для получения электроэнергии. Энергоноситель — вода — поступает в турбину ГЭС из верхнего бьефа реки (водохранилища, созданного плотиной) и уходит в нижний бьеф. Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой ГЭС, в среднем в четыре раза ниже, чем у тепловых электростанций. Полные расчетные гидроресурсы рек планеты оцениваются в 1000 трлн кВт ч. Однако гидроресурсов, которые можно практически реализовать с помощью ГЭС, примерно в 30 раз меньше. По оценкам специалистов, даже при полном использовании потенциала всех рек планеты гидроэнергетика может обеспечить человечество электроэнергией не более чем на 25 %.
Рис.2. Красноярская ГЭС
Из 25 самых мощных в мире гидроэлектростанций 7 находятся в странах СНГ. Крупнейшая в нашей стране ГЭС — Саяно-Шушенская (мощностью 6,4 млн кВт) — занимает по мощности 5-е место в мире, Братская ГЭС — 13-е. Наиболее крупные ГЭС находятся в Венесуэле (10,3 млн кВт) и в Бразилии (13,32 млн кВт).
Гидроэлектростанции можно разделить на две основные группы: построенные на равнинных и горных реках. В обоих случаях требуется строительство плотин, создающих необходимый напор воды и ее запас в водохранилище для обеспечения равномерной работы ГЭС в течение года.
При строительстве крупных ГЭС на равнинных реках возникает множество экологических проблем, связанных с нарушением естественной миграции рыб и их нерестилищ, с затоплением плодородных пойменных земель и т. д.
В нашей стране особенно противоречивая ситуация сложилась на Волге, перегороженной целым каскадом плотин. С одной стороны, в результате строительства плотин было затоплено 1,78 млн га прекрасных пойменных земель и 0,7 млн га лесов, с другой — плотины обеспечили задержание и аккумулирование в водохранилищах паводковых вод, сделали возможным судоходство по всей Волге, смягчили климат региона, позволили развивать орошаемое земледелие. До создания на Волге водохранилищ на обширных просторах Среднего и Нижнего Поволжья свирепствовали катастрофические суховеи («черная мгла»), ежегодно происходили опустошительные наводнения, уносящие % годового стока реки, а в летнюю жару надолго нарушалось водное сообщение, резко уменьшался объем водопотребления.
Сейчас воды великой русской реки вращают десятки турбин волжских ГЭС общей мощностью более 11 млн кВт. Река обеспечивает водой население Москвы и приволжских городов — в общей сложности более 60 млн человек.
Тепловые электростанции. Львиная доля мирового производства электроэнергии принадлежит тепловым электростанциям (ТЭС), работающим на ископаемом органическом углероде. Топливо (уголь, мазут, газ, сланцы) сжигается в топках паровых котлов, где его химическая энергия превращается в тепловую энергию пара.
В паровой турбине энергия пара переходит в механическую, а затем в генераторе превращается в электрическую. Тепловой коэффициент полезного действия обычной ТЭС составляет 37-39 %. Это значит, что около 2/3 тепловой энергии в буквальном смысле слова вылетают в трубу, нанося при этом огромный вред обширному региону.
Рис.3. Сочинская ТЭС
Тепловые электростанции потребляют огромное количество топлива. Так, ГРЭС (государственная районная электростанция высокой мощности, вырабатывающая только электроэнергию) мощностью 1 млн кВт ежесуточно сжигает 17 800 т. угля (6-7 большегрузных железнодорожных составов) и 2500 т. мазута. Весь уголь перемалывается в угольную пыль и непрерывно подается в топки котлов, в котлы же в больших количествах (150 тыс. м3) непрерывно поступает вода, к чистоте которой предъявляют весьма высокие требования. Пар, отработавший в паровых турбинах, охлаждаясь, превращается в воду и затем снова отправляется в котлы. На охлаждение ежесуточно расходуется более 7 млн. м3 воды, и при этом происходит тепловое загрязнение водоема-охладителя.
В последние годы было обнаружено, что радиационное загрязнение вокруг тепловой станции, работающей на угле, в среднем в 100 раз выше фона естественной радиации. Это связано с тем, что обычный уголь всегда содержит микропримеси урана-238, тория-232 и радиоактивный изотоп углерода. При работе ТЭС эти радионуклиды вместе с золой и другими продуктами сгорания поступают в атмосферу, почву и водоемы.
Атомные электростанции. В реакторе атомной электростанции (АЭС) тепловая энергия выделяется за счет высвобождения энергии связи нейтронов и протонов при делении ядер урана-235. Если при химическом сжигании 1т угля выделяется 7 ккал теплоты, то при «сжигании» 1 г. ядерного топлива — 20 млн ккал, т. е. почти в 3 млн раз больше. Если ТЭС мощностью 1 млн кВт за три года сжигает 250 тыс. вагонов угля, то АЭС той же мощности за этот срок потребует всего 2 вагона ядерного топлива. Установка АЭС возможна в любом месте, где имеется достаточно воды для охлаждения реактора, где нет серьезной сейсмической опасности, отсутствует осаждение грунта и нет угрозы разрушения здания АЭС в результате каких-либо внешних причин.
Рис.4. Смоленская АЭС
Типичная АЭС мощностью 1 млн. кВт за год производит не более 2 м3 радиоактивных отходов. Общее количество отходов, образуемых на всех АЭС бывшего СССР, составляло ежегодно всего около 30 т.
Большую проблему представляет захоронение различных радиоактивных веществ, накопившихся входе многолетней наработки плутония для ядерного оружия. Этих отходов в сотни раз больше, чем при производстве ядерного топлива для всех АЭС.
Захоронение отходов — это помещение отходов под землю, в брошенные угольные шахты, соляные копи, специально подготовленные подземные полости, в глубочайшие впадины морского дна без возможности обратного извлечения, сброс отходов в океаны и моря в специальных контейнерах, а иногда даже и без них. С течением времени эти контейнеры могут быть подвержены коррозии или разрушены в результате землетрясений, и тогда ядовитые вещества попадут в окружающую среду. К сожалению, абсолютно безопасных методов захоронения отходов пока не найдено.
В нашей стране для связывания радиоактивных отходов достаточно широко используется метод кальцинации — остекловывания их в специальной вращающейся печи — кальцинаторе. Образующиеся при этом газы проходят специальную очистку.
К проблемам захоронения отходов примыкает проблема выработавших свой ресурс реакторов. Время начала их массового вывода из строя быстро приближается.
Эксплуатация АЭС связана с опасностью для окружающей природы и человека. В результате аварии на Чернобыльской АЭС пострадали сотни тысяч людей (особенно дети) не только вблизи Чернобыля, но и далеко за его пределами. Образовались радиоактивные пятна — места выпадения радиоактивного дождя. Выпадение радионуклидов обнаружено на территории Белоруссии, России, Австрии, ФРГ, Италии, Румынии, Польши, Швеции, Финляндии.
Катастрофа в Чернобыле показала, что потери при аварии на ядерном энергетическом реакторе на несколько порядков превышают потери при аварии на энергетической установке такой же мощности, использующей ископаемое топливо. При работе реакторов АЭС образуется около 250 различных радиоактивных изотопов, попадание которых в окружающую среду может привести к тяжелым последствиям: раковым заболеваниям, врожденным дефектам, ослаблению иммунной системы населения, проживающего вблизи ядерных установок. Поэтому при строительстве и эксплуатации АЭС надо уделять повышенное внимание очистке выбросов и отходов.
При решении вопроса о размещении АЭС необходимо учитывать множество факторов: потребность региона в электроэнергии, природные условия, наличие достаточного количества воды, плотность населения, вероятность возникновения землетрясений, наводнений, характеристику верхних и нижних слоев грунта, грунтовых вод и т. д.
Сегодня в мире идет неустанный поиск новых путей удовлетворения энергетических потребностей человечества.
У всех этих электростанций есть серьёзный недостаток: они оказывают негативное влияние на окружающую среду.
В последнее время появились новые способы получения электроэнергии, которые хотя ещё и не имеют широкого распространения, но представляют интерес из-за того, что не наносят вред окружающей среде. Эти источники используют энергию солнца, ветра, приливов, геотермальных источников и т. д. Их называют альтернативными (рис. 5, 6 и 7).
Рис.5. Энергия солнца
Рис.6. Энергия ветра
Рис.7. Энергия приливов и отливов
Основные понятия и термины
электростанция, источник электрической энергии, альтернативные источники энергии, технический прогресс, генератор. ТЭС, ГРЭС, ГЭС, АЭС, захоронение отходов, метод кальцинации.
Проверяем свои знания
Назовите известные вам виды энергии.
Какие типы электростанций вам известны? Какие виды энергии в них преобразуются в электрическую?
Почему разрабатываются и внедряются альтернативные источники энергии? Какие альтернативные источники вам известны?
Что такое, по вашему мнению, технический прогресс?
За счёт чего можно экономить электроэнергию в быту и на производстве?
Задание
Найдите в Интернете примеры альтернативных источников энергии. Подумайте, как можно их использовать в жизни вашей семьи.
