Problemi energetici dell'umanità

Per presentare i bisogni energetici dell'umanità e confrontarli con l'energia dei processi che si verificano nelle geosfere terrestri, presentiamo questi valori energetici nella tabella. 21.1.

L'esame della tabella mostra che l'umanità ha di riserva potenti fonti di energia. Tuttavia, il loro utilizzo è probabilmente una questione di un lontano futuro. La tabella mostra anche che l'energia dei processi tecnogenici è già diventata paragonabile all'energia dei grandi processi geofisici.

I materiali contenuti in questo capitolo si basano principalmente sulle opere di.

Le risorse naturali sono ampiamente utilizzate per produrre energia. I combustibili fossili, gli elementi radioattivi e l'energia potenziale dell'acqua sono i principali tipi di risorse energetiche. Il loro utilizzo provoca danni significativi all’ambiente.

L’energia è la base del benessere umano. C’è un continuo aumento del consumo di energia in tutto il mondo. Ad esempio, negli anni 50-70. XX secolo Il consumo energetico medio pro capite è quasi raddoppiato. In 200 anni, il consumo globale di energia è aumentato di quasi 30 volte e ammonta a 13 Gt cu. t (una tonnellata di combustibile standard (ce) è pari a 29,3 GJ). Il tenore di vita della popolazione di tutti i paesi è determinato dalla disponibilità di energia, sebbene la disponibilità di energia possa variare notevolmente, ad esempio, a causa delle condizioni climatiche. Il consumo energetico pro capite è l’indicatore più importante che caratterizza non solo il livello di benessere dei residenti del paese, ma anche il suo stadio di sviluppo economico. Nei paesi più ricchi, pro capite ci sono 10-14 tonnellate equivalenti di carburante all'anno. (USA, Canada, Norvegia), nei più poveri - 0,3-0,4 t.e. t. (Mali, Ciad, Bangladesh). I dati assoluti relativi al consumo di carburante pro capite non forniscono un’idea di come viene consumato il carburante. Nei paesi situati in condizioni climatiche severe, con significativi

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3. Inquinamento dell’idrosfera: inquinamento termico dei corpi idrici,
emissioni di sostanze inquinanti, cambiamenti nelle condizioni operative
acque sotterranee e superficiali.

4. Inquinamento della litosfera durante il trasporto di energia
corpi e smaltimento rifiuti, durante la produzione di energia.

5. Inquinamento con rifiuti radioattivi e tossici
ambiente.

6. Cambiamenti nel regime idrologico dei fiumi idroelettrici
stazioni e, di conseguenza, inquinamento della zona
corso d'acqua

7. Creazione di campi elettromagnetici attorno alle linee elettriche
trasmissione

8. Cambiamenti nella diversità delle specie nelle aree di distribuzione
oggetti del complesso di carburante ed energia. "

9. Avvio di processi geologici.

Il complesso di combustibili ed energia fornisce all'ambiente enormi quantità di monossido di carbonio, biossido di zolfo, ossidi di azoto, idrocarburi, fuliggine, metalli pesanti, prodotti petroliferi, fenoli, cloruri, solfati, ecc.

Come garantire che un aumento costante del consumo energetico non sia accompagnato da un aumento conseguenze negative energetica, visto che nel prossimo futuro l’umanità sentirà i limiti dei combustibili fossili? Come modi per risolvere il problema si possono indicare i seguenti.

1. Risparmio energetico. Il grado di influenza del progresso sul risparmio energetico può essere dimostrato con l’esempio dei motori a vapore. Come sapete, l'efficienza dei motori a vapore 100 anni fa era del 3-5% e ora raggiunge il 40%. Anche lo sviluppo dell’economia mondiale dopo la crisi energetica degli anni ’70 ha dimostrato che l’umanità dispone di riserve significative su questo percorso. Tra il 1975 e il 1985, l’intensità energetica del prodotto nazionale lordo degli Stati Uniti è diminuita del 71%, della Francia del 70% e del Giappone del 78%. Tuttavia, il consumo energetico complessivo ha continuato ad aumentare. L'uso di tecnologie per il risparmio delle risorse e del risparmio energetico ha assicurato una significativa riduzione del consumo di carburante e materiali nei paesi sviluppati.

cap. 21. Problemi ambientali dell'energia

2. Sviluppo di tipi di produzione energetica più puliti dal punto di vista ambientale.

Il problema può probabilmente essere risolto con lo sviluppo di forme di energia alternative, come l’energia solare e geotermica, l’energia eolica, l’uso dell’energia oceanica e altri tipi di energia. /Secondo la terminologia accettata, tutti i tipi di energia basati sull'energia solare sono chiamati fonti di energia rinnovabili. In Europa, il 6% del consumo totale di energia è prodotto utilizzando biomasse ed energia idroelettrica.

Le principali tecnologie che utilizzano fonti energetiche rinnovabili sono riportate in Tabella. 21.2.

L’elenco riportato nella tabella è piuttosto ampio; la sua considerazione mostra che in futuro i tipi di produzione di energia rinnovabile potrebbero sostituire i metodi di produzione di energia basati sui combustibili fossili. Nella maggior parte dei paesi del mondo, le riserve di tipi di energia rinnovabile superano di gran lunga le riserve di tipi di energia non rinnovabili. Ad esempio, negli Stati Uniti, le stime delle riserve totali di energia rinnovabile sono di circa 600.000 miliardi di barili di petrolio equivalente, e le stime delle riserve totali di energia non rinnovabile sono di circa 45.000 miliardi di barili di petrolio equivalente. Stime più realistiche, tenendo conto delle limitazioni imposte all’uso dell’energia geotermica ed eolica, riducono questa superiorità delle riserve di energia rinnovabile, ma la prospettiva delle riserve rimane.

Finora, le fonti rinnovabili non forniscono più del 20% del consumo energetico globale. Il contributo principale a questo 20% proviene dall’uso della biomassa e dell’energia idroelettrica. Con il miglioramento della tecnologia, il contributo dell’energia solare ed eolica aumenta. Quando si determinano le prospettive per lo sviluppo di un particolare tipo di energia, si pone la questione della valutazione del rischio ambientale. Il rischio ambientale si riferisce alla probabilità di conseguenze negative dell’inquinamento ambientale per gli esseri umani e il biota. Il rischio ambientale comprende aspetti economici, ambientali, biologici, sociali e tossicologici.

La maggior parte dell’elettricità viene attualmente prodotta nelle centrali termoelettriche (TPP). Nel 1989, in URSS, il 65% veniva prodotto nelle centrali termoelettriche, il 24% nelle centrali idroelettriche e l'11% nelle centrali nucleari. Nel 1997 in Russia, la quota delle diverse fonti nella produzione di elettricità era la seguente: gas naturale - 41,7%;

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decine di volte. Alla fine, la struttura delle specie dell'ecosistema del bacino cambia: lo sviluppo di alghe blu-verdi, cambiamenti nell'abbondanza e nella composizione delle specie di plancton e pesci, ad esempio nel lago polare Imandra, che viene utilizzato per raffreddare l'acqua della centrale nucleare di Kola Centrale elettrica, il salmerino amante del freddo scomparve, ma apparve la trota iridea amante del caldo. Ci sono molti casi in cui i pesci delle specie amanti del calore si acclimatano bene in bacini più freddi nella zona centrale. Ad esempio, nello stagno di raffreddamento del TPP Berezovskaya, sono state acclimatate specie amanti del calore come la carpa testa grossa e il bufalo, e nello stagno di raffreddamento del TPP Shakhtinskaya, il pesce africano tilapia è stato acclimatato. A volte le specie erbivore amanti del calore “aiutano” a combattere la crescita eccessiva dei corpi idrici.

Le torri di raffreddamento evaporative, ampiamente utilizzate nelle centrali termiche e nucleari, hanno dimostrato di essere potenti fonti di rumore infrasonico con frequenze inferiori a 10 Hz. Il rumore infrasonico emesso dalla torre di raffreddamento è debolmente attenuato e si propaga lungo il canale acustico formato dalla torcia termica della torre di raffreddamento per distanze considerevoli. Questo è un altro impatto negativo delle centrali termoelettriche e nucleari sull’ambiente. I residenti esposti alle radiazioni infrasuoni possono avvertire cambiamenti nella pressione sanguigna e nella frequenza cardiaca.

Le centrali termoelettriche sono caratterizzate da elevate radiazioni e inquinamento ambientale tossico. Ciò è dovuto al fatto che il carbone normale e le sue ceneri contengono microimpurità di uranio e una serie di elementi tossici (cadmio, cobalto, arsenico, ecc.) in concentrazioni più elevate rispetto alla crosta terrestre. Durante il funzionamento delle centrali termoelettriche, radionuclidi ed elementi tossici entrano nell'atmosfera, nel suolo e nei corpi idrici. Di conseguenza, la contaminazione da radiazioni e la contaminazione con elementi tossici attorno alle centrali termoelettriche alimentate a carbone sono in media 10-100 volte superiori alla contaminazione di fondo.

Aree significative attorno alle centrali termoelettriche sono esposte a piogge acide e ceneri contenenti impurità tossiche. Nelle aree in cui sono ubicate le centrali termoelettriche si osserva una soppressione cronica della vegetazione. Di conseguenza si verifica una riduzione dei prodotti agricoli e l'accumulo di elementi tossici nelle piante.

Nella Federazione Russa, le centrali termoelettriche rappresentano il 90-95% delle emissioni totali nell'atmosfera provenienti da impianti energetici di inquinamento solido e liquido, anidride solforosa e ossido di azoto. Gli ecosistemi terrestri e acquatici sono inquinati principalmente dalle centrali termoelettriche.

cap. 21. Problemi ambientali dell'energia

Durante la costruzione di grandi centrali termoelettriche o di loro complessi, l'inquinamento ambientale è ancora più significativo. In questo caso possono verificarsi nuovi effetti, ad esempio, causati dall'eccesso del tasso di combustione dell'ossigeno rispetto al tasso di formazione dovuto alla fotosintesi delle piante terrestri in un dato territorio o causati da un aumento della concentrazione di anidride carbonica in lo strato di terra.

Tra le fonti di combustibili fossili, il carbone è la più promettente, ciò è dovuto al fatto che le sue riserve sono enormi rispetto alle riserve di petrolio e gas. Le maggiori riserve di carbone del mondo sono concentrate in Russia, Cina e Stati Uniti. Attualmente la maggior parte dell'energia viene generata nelle centrali termoelettriche attraverso l'utilizzo di prodotti petroliferi. Pertanto, la struttura delle riserve di combustibili fossili non corrisponde alla struttura del loro utilizzo moderno per la produzione di energia. In futuro, la transizione verso una nuova struttura del consumo di combustibili fossili causerà notevoli problemi ambientali, costi dei materiali e grandi cambiamenti nell'intero settore. Numerosi paesi sviluppati nel mondo hanno già avviato la ristrutturazione strutturale del settore energetico. Ad esempio, il concetto di sviluppo della produzione elettrica negli Stati Uniti è caratterizzato da un aumento del contributo del carbone a fronte di una riduzione del contributo di gas e petrolio.

I principali vantaggi delle centrali idroelettriche sono il basso costo dell'elettricità generata, il rapido ammortamento (il costo è circa 4 volte inferiore e il ammortamento è 3-4 volte più veloce rispetto alle centrali termoelettriche), l'elevata manovrabilità, che è molto importante durante periodi di picchi di carico e la capacità di accumulare energia. Anche con il pieno potenziale di tutti i fiumi della Terra, è possibile fornire non più di un quarto dell’attuale fabbisogno energetico dell’umanità. In Russia attualmente viene utilizzato meno del 20% del potenziale idroelettrico. Tuttavia, di più pieno utilizzo Il potenziale idroelettrico della Federazione Russa è associato a costi economici significativi, poiché i fiumi promettenti per l'uso si trovano in regioni difficili da raggiungere. Nei paesi sviluppati, l'efficienza dell'utilizzo delle risorse idroelettriche è 2-3 volte superiore a quella della Russia, quindi la Russia ha qui alcune riserve.

La costruzione di centrali idroelettriche sui fiumi di pianura porta a numerosi problemi ambientali. I bacini idrici, necessari per garantire il funzionamento uniforme delle centrali idroelettriche, provocano cambiamenti climatici nei territori adiacenti a distanze fino a centinaia di chilometri e sono serbatoi naturali di inquinamento, anche radioattivo. Se ne implementi alcuni

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Progetti per la liquidazione dei serbatoi, poi sorgerà un compito altrettanto complesso di riciclare l'inquinamento che si è accumulato nei serbatoi per un lungo periodo di tempo. Le alghe blu-verdi si sviluppano nei bacini idrici, i processi di eutrofizzazione accelerano, il che porta a un deterioramento della qualità dell'acqua e interrompe il funzionamento degli ecosistemi. Durante la costruzione dei bacini idrici, i terreni naturali di deposizione delle uova vengono disturbati, le terre fertili vengono allagate e il livello delle acque sotterranee cambia. Più promettente è la costruzione di centrali idroelettriche sui fiumi di montagna. Ciò è dovuto al maggiore potenziale idroelettrico dei fiumi di montagna rispetto a quelli di pianura. Quando si costruiscono bacini idrici in aree montuose, vaste aree di terreno fertile non vengono sottratte all'uso del suolo. Le centrali idroelettriche di piccola e media potenza non sono ampiamente utilizzate, poiché gli investimenti di capitale specifici in esse sono molto più elevati rispetto alle centrali termoelettriche, alle grandi centrali idroelettriche e alle centrali nucleari. Tuttavia, recentemente, a causa delle difficoltà incontrate con la fornitura di carburante nell'estremo nord e in altre regioni inaccessibili, si è assistito a un rinnovato interesse per la costruzione di centrali idroelettriche di piccole e medie dimensioni. Nell’ambito del programma obiettivo federale “Carburante ed energia”, sottoprogramma “Approvvigionamento energetico delle regioni dell’estremo nord e territori equivalenti, nonché dei luoghi di residenza dei piccoli popoli del nord, della Siberia e dell’Estremo Oriente attraverso l’uso di fonti energetiche rinnovabili non tradizionali e combustibili locali”, è iniziata la costruzione di centrali idroelettriche di potenza da decine di W a decine di MW. Decine di centrali idroelettriche a bassa potenza sono state costruite negli ultimi cinque anni a Sakhalin, Kamchatka, nell'estremo nord, in Altai e in diverse zone degli Urali.

In numerosi paesi sviluppati, la quota di elettricità generata nelle centrali nucleari (NPP) è elevata. Pertanto, in Francia, la quota di energia generata nelle centrali nucleari raggiunge il 77% dell’approvvigionamento energetico del paese, in Germania il 34%. Le centrali nucleari non producono anidride carbonica e anche il volume di altri inquinanti atmosferici e terrestri è piccolo rispetto alle centrali termoelettriche. Durante il normale funzionamento delle centrali nucleari, la contaminazione radioattiva nelle aree dell’impianto è piccola rispetto al contesto naturale e non ha un effetto evidente sulle dosi di radiazioni alla popolazione e al biota. La quantità di sostanze radioattive generate durante il funzionamento di una centrale nucleare è relativamente piccola. L'impatto radiologico dei rifiuti può manifestarsi dopo molto tempo e in un'area limitata. Questo è

cap. 21. Problemi ambientali dell'energia

Un vantaggio importante delle centrali nucleari rispetto alle centrali termiche è che gli effetti tossici dei rifiuti si manifestano immediatamente e su vaste aree. Per molto tempo le centrali nucleari sono state presentate come le più rispettose dell’ambiente aspetto pulito centrali elettriche e come promettente sostituto delle centrali termoelettriche che influiscono sul riscaldamento globale. Tuttavia, il processo di funzionamento sicuro delle centrali nucleari non è stato ancora risolto e il problema dello smaltimento dei rifiuti radioattivi, ad esempio il C 14 a lunga vita (il tempo di dimezzamento è di 5.760 anni e quindi può accumularsi nella biosfera ), non è stato risolto. Il carbonio è la base di tutti i composti organici e fa parte delle molecole proteiche e del DNA. Entrando nelle molecole dei composti organici, C 14 è un irradiatore interno.

D’altro canto, sostituire la maggior parte delle centrali termoelettriche con centrali nucleari per eliminare il loro contributo all’inquinamento atmosferico su scala planetaria non è fattibile a causa degli enormi costi economici.

Durante l'esistenza dell'energia nucleare si sono verificati tre gravi incidenti radioattivi: nel 1957 nel Regno Unito (Windscale), nel 1979 negli Stati Uniti (Three Mile Island) e nel 1986 nella centrale nucleare di Chernobyl. In termini di area di contaminazione e quantità di attività rilasciata, l’incidente di Chernobyl è il più grave. A seguito dell'incidente, il territorio non solo dell'URSS, ma anche di altri paesi europei è stato esposto a contaminazione radioattiva e alle regioni colpite sono stati causati danni economici significativi. Il disastro di Chernobyl ha portato a un cambiamento radicale nell'atteggiamento della popolazione nei confronti delle centrali nucleari, soprattutto nelle regioni in cui si trovano le centrali o dove potrebbero essere costruite. In numerosi paesi è sorto il problema della continuità sociale dell'energia nucleare. Lo stress psicologico associato alla vita in aree contaminate e allo spostamento della popolazione colpita persisterà a lungo. Pertanto, le prospettive per lo sviluppo dell’energia nucleare nei prossimi anni non sono chiare.

Le capacità limitate dell'energia nucleare e idroelettrica, le riserve limitate di combustibili fossili (e in futuro - l'esaurimento) necessarie per il funzionamento delle centrali termoelettriche e il loro potente impatto termico sull'atmosfera ci costringono a dare uno sguardo più da vicino ai non-energia fonti energetiche tradizionali.

Alcuni paesi hanno già ottenuto un successo significativo nell’uso di metodi non tradizionali di produzione energetica. Ad esempio, l’India è al terzo posto nel mondo in termini di totale

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Potenza degli impianti eolici. La costruzione di piccole centrali idroelettriche è diffusa nelle regioni himalayane. la cui capacità totale ha già superato i 160 MW. Nelle comunità rurali dell'India vengono costruiti impianti di biogas e forni solari, il cui utilizzo riduce significativamente il flusso dei prodotti della combustione nell'atmosfera. Le turbine eoliche in tre passi della California (Altamont, Tehachapi, San Gorgonio) hanno una capacità totale di 1.500 MW. Le centrali eoliche in Danimarca forniscono oltre il 5% di tutta l'energia generata nel paese e il costo dell'elettricità ottenuta dalle centrali eoliche è già inferiore al costo dell'energia ottenuta dalle centrali nucleari e dalle centrali termiche.

La Russia sta attuando un programma globale per lo sviluppo di fonti energetiche non tradizionali. Il programma, sviluppato per il periodo 1991-2005, prevedeva di portare la quota delle fonti energetiche non tradizionali allo 0,8% del consumo energetico nazionale entro il 2000. Il programma scientifico e tecnico statale "Energia pulita per l'ambiente" determina la direzione e il ritmo dello sviluppo dei convertitori fotoelettrici. Problemi specifici relativi allo sviluppo di tipi di energia non tradizionali vengono risolti nell'ambito del programma obiettivo federale "Combustibile ed energia", del sottoprogramma "Approvvigionamento energetico per le regioni dell'estremo nord e territori equivalenti, nonché luoghi di residenza delle popolazioni indigene del Nord, della Siberia e dell'Estremo Oriente attraverso l'utilizzo di fonti energetiche rinnovabili non tradizionali e di combustibili locali." In Russia circa il 45% delle case sono riscaldate da stufe. Attualmente, nella Federazione Russa, circa il 70% del territorio con una popolazione di 10 milioni di persone appartiene alla zona di approvvigionamento energetico decentralizzato. La produzione di elettricità in tali regioni viene effettuata principalmente utilizzando generatori a benzina e diesel a bassa potenza. Il forte aumento del costo dei combustibili organici importati rende le aree remote dell'estremo nord e dell'estremo oriente della Federazione Russa promettenti per lo sviluppo di fonti energetiche non tradizionali.

Energia solare

La potenza della radiazione solare assorbita dall'atmosfera e dalla superficie terrestre è di 10 5 TW (10 17 W). Questo valore sembra enorme rispetto all’attuale consumo energetico globale di 10 TW. Ci sono anche altri grandi flussi di energia vicino alla superficie terrestre. Quindi trasferimento di calore da parte dell'atmosfera

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Il convertitore è un diodo semiconduttore di grande area. L'efficienza dell'assorbimento della luce dipende dal materiale e dallo spessore dell'elemento. Ad esempio, il silicio amorfo assorbe 50 volte più efficacemente del silicio cristallino. Le prestazioni dei convertitori a semiconduttore dipendono fortemente dalla purezza del materiale. La purezza del silicio deve essere del 99,99%; raggiungere questo obiettivo richiede una tecnologia complessa e costi significativi. L'efficienza del trasduttore dipende anche dalla sensibilità spettrale del materiale. Gli elementi a base di silicio cristallino sono sensibili nelle regioni ultraviolette, visibili e del vicino infrarosso dello spettro solare. Teoricamente, l'efficienza di un convertitore di silicio cristallino raggiunge il 28%.

Come già accennato, la bassa densità della radiazione solare costituisce uno degli ostacoli alla sua diffusione. Per eliminare questo inconveniente, durante la progettazione dei convertitori fotoelettrici vengono utilizzati vari tipi di concentratori di radiazione. Per compensare la periodicità dell'energia solare, è consigliabile inserire impianti fotovoltaici nelle stazioni ibride. Presso tali centrali, nei periodi di avverse condizioni atmosferiche, è possibile produrre energia utilizzando sistemi tradizionali. I principali vantaggi degli impianti fotovoltaici sono i seguenti. Non hanno parti in movimento, il loro design è molto semplice e la loro produzione è tecnologicamente avanzata. Le batterie solari sono assemblate dallo stesso tipo di moduli. Un vantaggio importante dei convertitori fotoelettrici è la tendenza costante a ridurne i costi. All'inizio degli anni '90. Nel mondo esistevano circa 20 grandi centrali solari con una capacità fino a 7 MW che utilizzavano la conversione fotovoltaica dell'energia solare.

Gli svantaggi dei convertitori fotoelettrici includono la distruzione del materiale semiconduttore nel tempo, la dipendenza dell'efficienza del sistema dal suo contenuto di polvere e la necessità di sviluppare metodi complessi per pulire le batterie dalla contaminazione. Tutto ciò limita la durata dei convertitori fotoelettrici.

Le stazioni ibride costituite da convertitori fotovoltaici e generatori diesel sono già ampiamente utilizzate per fornire energia elettrica nelle zone dove non sono presenti reti di distribuzione elettrica. Ad esempio, questo tipo di sistema fornisce elettricità ai residenti dell'isola di Cocos, situata nello stretto di Torres.

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Accumulatore termico che fornisce addolcimento
a seconda della variabilità giornaliera e delle condizioni meteorologiche
Viy;

Scambiatori di calore che formano riscaldamento e raffreddamento
fonti telny del motore termico.

I sistemi di cattura della radiazione solare, a seconda del progetto, forniscono diversi gradi di concentrazione. Un basso grado di concentrazione (fino a 100) si ottiene utilizzando, ad esempio, riflettori parabolici, il cui asse è perpendicolare al piano di movimento del Sole. Un grado medio di concentrazione (fino a 1000) può essere raggiunto utilizzando eliostati di focalizzazione controllati da due gradi di libertà. Un esempio di tale eliostato è uno specchio a forma di paraboloide di rotazione, il cui asse è orientato verso il Sole. Alto grado la concentrazione (più di 1000) è effettuata da un sistema ottico costituito da eliostati piatti e un riflettore paraboloide. Il sistema di accumulo aiuta a mitigare gli effetti della variabilità meteorologica e della variabilità diurna. L'accumulo può essere a breve termine per prevenire fluttuazioni del carico termico dovute alla nuvolosità, giornaliero - per generare elettricità di notte e stagionale - per fornire energia ai consumatori durante le stagioni sfavorevoli. L’accumulo di energia avviene solitamente attraverso l’accumulo di calore. I sistemi di accumulo a bassa temperatura (fino a 100°C), in particolare quelli ad acqua, sono largamente utilizzati per il riscaldamento degli edifici e per la fornitura di acqua calda. I sistemi a bassa temperatura utilizzano anche transizioni di fase e reazioni reversibili di idratazione e solvatazione di sali e acidi. Per l'accumulo a media temperatura (da 100 a 550 °C) vengono utilizzati idrati di ossidi di metalli alcalino terrosi. L'accumulo ad alta temperatura (temperature superiori a 550 °C) viene effettuato utilizzando reazioni esoendotermiche reversibili.

Il tipo di ciclo termodinamico e di fluido di lavoro è determinato dall'intervallo di temperature di esercizio del motore termico.

Attualmente, le idee di trasformazione termodinamica sono implementate in due tipi di schemi: eliostati a torre e stazioni con ricevitore di energia distribuito.

In una stazione solare a torre, l'energia di ciascun eliostato viene trasmessa otticamente. Gli eliostati sono controllati da un computer. Fino all'80% del costo della stazione è il costo degli eliostati. Sistema di raccolta e trasmissione dell'energia

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Stazioni solari in orbita terrestre bassa. I progettisti propongono di posizionare batterie solari ad alta potenza in orbita geosincrona. Posizionare una stazione in un'orbita geosincrona garantisce che la stazione si trovi sopra un certo punto sulla Terra. L'energia viene trasmessa alla superficie terrestre sotto forma di radiazione elettromagnetica ad alta frequenza. La densità della radiazione solare nell'orbita geosincrona risulta essere maggiore che sulla Terra. Una scelta adeguata della posizione del piano orbitale garantisce una fornitura di energia solare alle batterie della stazione quasi tutto l’anno. Non ci sono problemi con la pulizia dei pannelli della stazione e con il disturbo dell’uso del territorio e dell’inquinamento termico.

Bioconversione dell'energia solare

La biomassa è stata utilizzata come fonte di energia fin dall’antichità. Durante la fotosintesi, l'energia solare viene immagazzinata come energia chimica nella massa verde delle piante. L'energia immagazzinata nella biomassa può essere utilizzata sotto forma di cibo da esseri umani o animali o per produrre energia nella vita quotidiana e nella produzione. Attualmente, fino al 15% dell'energia mondiale è prodotta dalla biomassa di una tonnellata di segatura tecnologie moderne consentono di ottenere 700 kg di combustibile liquido e la Russia possiede il 20% delle risorse forestali del pianeta.

Il metodo più antico, e ancora ampiamente utilizzato, per ottenere energia dalle biomasse è bruciarle. Nelle zone rurali, fino all’85% dell’energia viene ottenuta in questo modo. Come combustibile, la biomassa presenta numerosi vantaggi rispetto ai combustibili fossili. Quando si brucia la biomassa, viene rilasciato 10-20 volte meno zolfo e 3-5 volte meno ceneri rispetto alla combustione del carbone. La quantità di anidride carbonica rilasciata durante la combustione della biomassa è uguale alla quantità di anidride carbonica spesa nel processo di fotosintesi. Ciò garantisce un bilancio pari a zero delle emissioni di monossido di carbonio.

L’energia della biomassa può essere ottenuta da colture specializzate. Ad esempio, nella zona subtropicale della Russia si propone di coltivare razze nane della specie di papaya a crescita rapida. Da un ettaro in 6 mesi sugli appezzamenti sperimentali si ottengono più di 5 tonnellate di biomassa in peso secco, che possono essere utilizzate per produrre biogas. La biomassa può essere utilizzata anche per ottenere additivi per alimenti e mangimi biologicamente attivi. Tra le specie promettenti figurano alberi a crescita rapida e piante ricche di carboidrati, utilizzati per produrre alcol etilico.

Capitolo 21 Problemi ambientali dell'energia

La canna da zucchero è ampiamente utilizzata per la produzione di alcol etilico. In Brasile, l’etanolo puro e le miscele etanolo-benzina sono carburanti ampiamente utilizzati. Questo biocarburante è facile da immagazzinare e trasportare, ha un elevato potere calorifico e brucia in modo più completo nel motore. Quando si brucia tale carburante, l'atmosfera è molto meno inquinata rispetto a quando si brucia carburante convenzionale. Il Brasile, che ha iniziato a utilizzare l’etanolo come carburante per veicoli negli anni ’70, possiede la migliore tecnologia di produzione al mondo. Tra i metodi di bioconversione promettenti figura un metodo per produrre carburante per motori (estere metilico) dai semi di colza. Il carburante per motori a base di colza, avente caratteristiche vicine al carburante diesel, non produce praticamente alcuna emissione di sostanze nocive. La Repubblica Ceca produce circa 1 milione di tonnellate di biodiesel all'anno. Negli Stati Uniti è stato sviluppato un metodo per produrre alcol dal mais; in Italia si sta lavorando per sviluppare un metodo per la produzione economicamente vantaggiosa di alcol dal sorgo. A Stoccolma circa 200 autobus viaggiano già ad alcol.

Un metodo diffuso per ottenere energia dalle biomasse è quello di produrre biogas attraverso la digestione anaerobica. Questo gas contiene circa il 70% di metano. La biometanogenesi fu scoperta nel 1776 da Volta, che scoprì il metano nel gas di palude. Il biogas consente l'utilizzo delle turbine a gas, che rappresentano il mezzo più moderno di ingegneria termoelettrica. I rifiuti organici dell’agricoltura e dell’industria vengono utilizzati per produrre biogas. Questa direzione è uno dei modi promettenti e promettenti per risolvere il problema dell'approvvigionamento energetico nelle zone rurali. Ad esempio, da 300 tonnellate di sostanza secca di letame convertite in biogas, il rendimento energetico è di circa 30 tonnellate equivalenti di petrolio. Più promettente è la conversione termochimica della biomassa, in cui il gas sintetico viene ottenuto bruciando la biomassa a una temperatura di 800-15.000 °C. Le centrali elettriche a turbina a gas con unità di gassificazione hanno un'efficienza del 40-45%.

In India e Cina, diverse decine di milioni di impianti di produzione di biogas sono gestiti nelle aree rurali.

La biomassa per la successiva produzione di biogas può essere coltivata in ambiente acquatico coltivando alghe e microalghe.

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Densità relativamente bassa, forte variabilità temporale e costo elevato degli impianti di energia del moto ondoso.

Attualmente è stata accumulata una quantità significativa di misurazioni strumentali delle onde del vento nell'oceano mondiale. Sulla base di questi dati, la climatologia ondosa identifica le aree con le onde più intense e persistenti. Le perdite di energia delle onde dovute al surf in tutto il mondo sono stimate a 2 ■ 10 9 kW. La lunghezza totale della costa è di 200.000 km, ovvero in media 10 kW per metro di costa. Tuttavia, ci sono zone costiere in cui la potenza media delle onde è notevolmente più elevata. Sono costantemente esposti alle onde oceaniche, lunghe 50-200 me alte più di 2-5 m. La formazione di queste onde non è necessariamente legata all'azione dei venti locali. Le onde che hanno origine in una parte dell'oceano sono in grado di percorrere vaste distanze di centinaia e migliaia di miglia, poiché sono debolmente attenuate nelle profondità dell'oceano. Secondo alcune stime, la potenza media annua delle onde per metro della costa occidentale della Gran Bretagna raggiunge gli 80 kW e la potenza delle onde totale della costa è di 120 GW, che è circa 5 volte superiore esigenze moderne elettricità nel paese. In molte zone della piattaforma continentale degli Stati Uniti e del Giappone la densità di energia delle onde è di circa 40 kW/m.

La maggior parte dei convertitori di energia del moto ondoso utilizzano uno schema di conversione a due stadi; nel primo stadio, l'energia viene trasferita dall'onda al corpo assorbitore e il problema della concentrazione dell'energia del moto ondoso viene risolto. Nella seconda fase, l'energia assorbita viene convertita in una forma conveniente per il consumo. Esistono tre tipi principali di progetti di raccolta dell’energia del moto ondoso. Il primo utilizza un metodo per aumentare la concentrazione dell'energia delle onde e convertirla in energia potenziale acqua. Nella seconda, un corpo con diversi gradi di libertà si trova sulla superficie dell'acqua. Le forze delle onde che agiscono su un corpo gli trasferiscono parte dell'energia delle onde. Lo svantaggio principale di un tale progetto è la vulnerabilità del corpo sotto l'influenza delle onde. Nella terza tipologia di progetto, il sistema che assorbe l'energia delle onde si trova sott'acqua. Il trasferimento dell'energia delle onde al dispositivo ricevente avviene sotto l'influenza della pressione o della velocità delle onde. Una classificazione più generale dei convertitori d'onda è la loro divisione in attivi e passivi. I tipi attivi di convertitori di energia del moto ondoso includono convertitori che hanno

cap. 21 Problemi ambientali dell'energia

Il nome del suo inventore. In Inghilterra, dove sono stati proposti numerosi miglioramenti all'installazione, viene chiamata colonna d'acqua oscillante. Dispositivi di questo tipo sono già ampiamente utilizzati per fornire energia a stazioni boe autonome.

La forza con cui le onde agiscono sulle strutture della zona costiera raggiunge diverse tonnellate per metro quadrato. Questa azione di forza può essere utilizzata anche per convertire l'energia delle onde. Immaginiamo una boa a base trapezoidale, ancorata nella zona costiera. Il lato largo del trapezio è rivolto verso l'oceano: questo consente di concentrare l'energia delle onde. Questo lato della boa è aperto alle onde. All'interno la boa è divisa in sezioni che terminano con cilindri dotati di pistoni. Le onde, agendo sui pistoni, mettono in movimento l'aria, che a sua volta muove la turbina ad aria. Con una dimensione di base di 350 me un'altezza della boa di 20 m, la potenza sarà di circa 100 MW.

I convertitori di energia del moto ondoso, che hanno un numero significativo di parti mobili, sono sensibili all'acqua di mare e ai carichi di potenza irregolari. Pertanto, viene data preferenza ai sistemi con un numero minimo di parti mobili.

Il parallelismo delle creste delle onde nella zona costiera, dovuto al fenomeno della rifrazione, viene utilizzato nel successivo tipo di convertitore di energia del moto ondoso. Il cilindro di galleggiamento positivo è completamente immerso nell'acqua. L'asse del cilindro è parallelo alla cresta dell'onda incidente. Ad una data profondità, la bombola è trattenuta da quattro cavi a galleggiamento neutro. Alle estremità dei cavi è fissato un carico a molla. Questo sistema di fissaggio consente al cilindro di muoversi su piani orizzontali e verticali. Se la cresta dell'onda incidente è parallela all'asse del cilindro, allora il cilindro eseguirà un movimento simile a quello delle particelle d'acqua nell'onda. La disposizione di cilindri aggiuntivi con altri parametri consente di espandere la gamma di lunghezze d'onda in cui l'energia delle onde viene effettivamente assorbita. I cilindri completamente interrati aumentano l'affidabilità operativa del sistema rispetto agli schemi in cui le parti mobili si trovano sulla superficie dell'acqua.

I convertitori di energia del moto ondoso capacitivi a induzione sono stati recentemente considerati come tipi promettenti di convertitori di energia del moto ondoso. Nei convertitori di questo tipo, un'armatura del condensatore è un'onda

Capitolo 21 Problemi ambientali dell'energia

Il problema energetico è il problema di fornire in modo affidabile all’umanità carburante ed energia. Su scala globale, questo problema si è manifestato negli anni ’70 del XX secolo, quando è scoppiata la crisi energetica, che ha segnato la fine dell’era del petrolio a buon mercato. Il problema globale della fornitura di carburante ed energia rimane importante oggi.

Le cause del problema energetico sono presentate in Fig. 3

Nel mondo dall'inizio agli anni '80 del XX secolo sono stati utilizzati più combustibili minerali che nell'intera storia precedente dell'umanità. Considerando solo il periodo dal 1960 al 1980, il 40% del carbone, quasi il 75% del petrolio e circa l'80% del gas naturale prodotti dall'inizio del secolo sono stati estratti dalle viscere della Terra.

La quantità di estrazione di carburante e risorse energetiche ha portato ad un deterioramento della situazione ambientale. E la crescita della domanda di queste risorse ha aumentato la concorrenza tra i paesi che esportano risorse di carburante Condizioni migliori vendite e tra paesi importatori per l’accesso alle risorse energetiche.

Sotto l’influenza della crisi energetica, il lavoro di esplorazione geologica su larga scala si è intensificato, portando alla scoperta e allo sviluppo di nuovi giacimenti energetici. La disponibilità dei più importanti tipi di combustibili minerali è aumentata direttamente. Secondo i calcoli, l’estrazione delle riserve accertate di carbone dovrebbe essere sufficiente per 325 anni, di petrolio per 37 anni e di gas naturale per 62 anni.

Risolvere il problema energetico comporta un ulteriore aumento della produzione di energia e un aumento del consumo di energia. Il consumo mondiale di energia in termini assoluti dal 1996 al 2003 è aumentato da 12 a 15,2 miliardi di tonnellate di carburante equivalente. Tuttavia, diversi paesi si trovano ad affrontare il raggiungimento del limite produzione propria risorse energetiche (Cina) o con la prospettiva di ridurre tale produzione (Gran Bretagna). Questo sviluppo incoraggia la ricerca di modi per utilizzare le risorse energetiche in modo più razionale.

Le principali soluzioni per risolvere il problema energetico globale sono presentate in Fig. 4.

Molti paesi con mercati emergenti (Russia, Ucraina, Cina, India) continuano a sviluppare industrie ad alta intensità energetica e utilizzano tecnologie obsolete. In questi paesi, dovremmo aspettarci un aumento del consumo di energia a causa dell'aumento standard di vita e cambiamenti nello stile di vita della popolazione, nonché la mancanza di fondi per ridurre l’intensità energetica dell’economia. Pertanto, è nei paesi con mercati emergenti che il consumo di risorse energetiche è in crescita, mentre nei paesi sviluppati il ​​consumo rimane ad un livello relativamente stabile.

Nel periodo moderno e anche in lunghi anni In futuro, la soluzione al problema energetico globale dipenderà dal grado di riduzione dell’intensità energetica dell’economia, cioè dal consumo di energia per unità di PIL prodotto.

Pertanto, il problema energetico globale nella sua precedente interpretazione come minaccia di una carenza assoluta di risorse nel mondo non esiste. Tuttavia, il problema dell'approvvigionamento delle risorse energetiche rimane in forma modificata.

Problema della materia prima

Il problema delle materie prime è un problema diventato urgente a causa del progresso tecnologico dell'umanità e dell'uso di più combustibili e materie prime per la sua vita.

L’emergere di un problema globale di risorse e materie prime si spiega, in larga misura, con la crescita molto rapida ed esplosiva del consumo di combustibili minerali e materie prime e, di conseguenza, con l’entità della loro estrazione dalle viscere del pianeta. terra.

Solo nel periodo dall'inizio agli anni '80 del XX secolo nel mondo sono stati prodotti e consumati più combustibili e materie prime che nell'intera storia precedente dell'umanità. Dal 1960 al 1980, 40% di carbone, 50% di rame e zinco, 55% di minerale di ferro, 60% di diamanti, 65% di nichel, sali di potassio e fosforiti, quasi il 75% di petrolio e circa l'80% di gas naturale e la bauxite venivano estratte dalle viscere della Terra, estratte fin dall'inizio del secolo.

I modi principali per risolvere il problema delle materie prime sono presentati in Fig. 5.

L’umanità diventa ogni anno sempre più grande. Ciò è dovuto alla crescita della popolazione del pianeta e all’intenso sviluppo della tecnologia, che porta a un livello sempre crescente di consumo energetico. Nonostante l’uso del nucleare, dell’energia alternativa e dell’energia idroelettrica, le persone continuano a estrarre la maggior parte del carburante dalle viscere della Terra. Petrolio, gas naturale e carbone sono risorse naturali non rinnovabili risorse energetiche, ormai le loro riserve sono scese a un livello critico.

L'inizio della fine

La globalizzazione del problema energetico dell'umanità è iniziata negli anni '70 del secolo scorso, quando è finita l'era del petrolio a buon mercato. La carenza e il forte aumento del prezzo di questo tipo di carburante hanno provocato una grave crisi nell'economia globale. E sebbene il suo costo sia diminuito nel tempo, i suoi volumi stanno diminuendo costantemente, quindi il problema energetico e delle materie prime dell’umanità sta diventando più acuto.

Ad esempio, solo nel periodo dagli anni '60 agli anni '80 del XX secolo, il volume globale della produzione di carbone ammontava al 40%, petrolio - 75%, gas naturale - 80% del volume totale di queste risorse utilizzate dall'inizio del secolo.

Nonostante la carenza di carburante sia iniziata negli anni '70 e si sia scoperto che il problema energetico è un problema globale per l'umanità, le previsioni non prevedevano un aumento del suo consumo. Si prevedeva che il volume di estrazione dei minerali sarebbe triplicato entro il 2000. Successivamente, ovviamente, questi piani sono stati ridotti, ma a causa dello sfruttamento estremamente dispendioso delle risorse, durato decenni, oggi non esistono praticamente più piani del genere.

Principali aspetti geografici del problema energetico dell'umanità

Uno dei motivi della crescente carenza di combustibile sono le condizioni sempre più difficili per la sua estrazione e, di conseguenza, l'aumento dei costi di questo processo. Se solo pochi decenni fa le risorse naturali giacevano in superficie, oggi dobbiamo aumentare costantemente la profondità delle miniere, dei pozzi di gas e di petrolio. Le condizioni minerarie e geologiche per la presenza di risorse energetiche nelle vecchie aree industriali del Nord America, dell'Europa occidentale, della Russia e dell'Ucraina si sono deteriorate in modo particolarmente evidente.

Tenendo conto degli aspetti geografici dei problemi energetici e delle materie prime dell’umanità, va detto che la loro soluzione sta nell’espansione dei confini delle risorse. È necessario sviluppare nuove aree con condizioni minerarie e geologiche più facili. In questo modo è possibile ridurre il costo di produzione del carburante. Si dovrebbe tenere conto del fatto che l’intensità di capitale complessiva per l’estrazione delle risorse energetiche in nuove località è solitamente molto più elevata.

Aspetti economici e geopolitici dei problemi energetici e delle materie prime dell'umanità

L’esaurimento delle riserve naturali di combustibile ha causato una forte concorrenza nella sfera economica, politica e geopolitica. Le gigantesche società di combustibili sono impegnate nella divisione delle risorse energetiche e di carburante e nella ridistribuzione delle sfere di influenza in questo settore, il che comporta costanti fluttuazioni dei prezzi sul mercato mondiale di gas, carbone e petrolio. L’instabilità della situazione sta aggravando gravemente il problema energetico dell’umanità.

Sicurezza energetica globale

Questo concetto è entrato in uso all'inizio del 21° secolo. I principi di tale strategia di sicurezza prevedono un approvvigionamento energetico affidabile, a lungo termine e accettabile dal punto di vista ambientale, i cui prezzi saranno giustificati e accettabili sia per i paesi esportatori che importatori di carburante.

L’attuazione di questa strategia è possibile solo se vengono eliminate le cause del problema energetico dell’umanità e se vengono adottate misure pratiche volte a fornire all’economia mondiale sia i tipi tradizionali di combustibile che energia da fonti alternative. Inoltre, dovrebbe essere dato lo sviluppo delle energie alternative Attenzione speciale.

Politica di risparmio energetico

In tempi di carburante a buon mercato, molti paesi in tutto il mondo hanno sviluppato economie ad alta intensità di risorse. Innanzitutto, questo fenomeno è stato osservato nei paesi ricchi di risorse minerarie. In cima alla lista c’erano Unione Sovietica, Stati Uniti, Canada, Cina e Australia. Allo stesso tempo, nell'URSS il volume del consumo di carburante era molte volte maggiore che in America.

Questo stato di cose ha richiesto l'urgente introduzione di politiche di risparmio energetico nei servizi pubblici, nell'industria, nei trasporti e in altri settori dell'economia. Tenendo conto di tutti gli aspetti dei problemi energetici e delle materie prime dell’umanità, iniziarono a essere sviluppate e implementate tecnologie volte a ridurre l’intensità energetica specifica del PIL di questi paesi e l’intera struttura economica dell’economia mondiale iniziò a essere ricostruita.

Successi e fallimenti

I successi più notevoli nel campo del risparmio energetico sono stati ottenuti nei paesi occidentali economicamente sviluppati. Nel corso dei primi 15 anni, sono riusciti a ridurre l’intensità energetica del loro PIL di 1/3, il che si è tradotto in una riduzione della loro quota di consumo energetico globale dal 60 al 48%. Oggi, questa tendenza continua e la crescita del PIL in Occidente sta superando i crescenti volumi di consumo di carburante.

La situazione è molto peggiore nell’Europa centro-orientale, in Cina e nei paesi della CSI. L’intensità energetica delle loro economie sta diminuendo molto lentamente. Ma i leader dell’anti-rating economico sono i paesi in via di sviluppo. Ad esempio, nella maggior parte dei paesi africani e asiatici, le perdite dei combustibili associati (gas naturale e petrolio) vanno dall’80 al 100%.

Realtà e prospettive

Il problema energetico dell'umanità e le modalità per risolverlo preoccupano oggi il mondo intero. Per migliorare la situazione esistente, vengono introdotte varie innovazioni tecniche e tecnologiche. Per risparmiare energia si migliorano le attrezzature industriali e di servizio, si producono automobili più economiche, ecc.

Le misure macroeconomiche prioritarie includono un cambiamento graduale nella struttura stessa del consumo di gas, carbone e petrolio con la prospettiva di aumentare la quota di risorse energetiche non tradizionali e rinnovabili.

Per risolvere con successo il problema energetico dell'umanità, è necessario prestare particolare attenzione allo sviluppo e all'implementazione di tecnologie fondamentalmente nuove disponibili nei moderni

Energia nucleare

Uno dei settori più promettenti nel campo dell'approvvigionamento energetico è che in alcuni paesi sviluppati sono già stati messi in funzione i reattori nucleari di nuova generazione. Gli scienziati nucleari stanno ora di nuovo discutendo attivamente il tema dei reattori alimentati da neuroni veloci, che, come si prevedeva un tempo, diventerebbero una nuova e molto più efficiente ondata di energia nucleare. Tuttavia, il loro sviluppo è stato interrotto, ma ora la questione è diventata di nuovo rilevante.

Utilizzo di generatori MHD

La conversione diretta dell'energia termica in elettricità senza caldaie a vapore e turbine consente di realizzare lo sviluppo di questa promettente direzione iniziata all'inizio degli anni '70 del secolo scorso. Nel 1971 fu lanciato a Mosca il primo MHD industriale pilota con una capacità di 25.000 kW.

I principali vantaggi dei generatori magnetoidrodinamici sono:

• alta efficienza;
• rispetto dell'ambiente (nessuna emissione nociva nell'atmosfera);
• lancio istantaneo.

Turbogeneratore criogenico

Il principio di funzionamento di un generatore criogenico è che il rotore viene raffreddato, determinando l'effetto della superconduttività. I vantaggi indiscutibili di questa unità includono alta efficienza, peso ridotto e dimensioni.

Un prototipo industriale pilota di un turbogeneratore criogenico è stato creato in epoca sovietica e ora sono in corso sviluppi simili in Giappone, negli Stati Uniti e in altri paesi sviluppati.

Idrogeno

L’uso dell’idrogeno come combustibile ha enormi prospettive. Secondo molti esperti, questa tecnologia aiuterà a risolvere i più importanti problemi globali dell'umanità: il problema dell'energia e delle materie prime. Innanzitutto, l’idrogeno diventerà un’alternativa alle risorse energetiche naturali nell’ingegneria meccanica. Il primo è stato creato dalla società giapponese Mazda all'inizio degli anni '90 e per esso è stato sviluppato un nuovo motore. L'esperimento si è rivelato un discreto successo, il che conferma la promessa di questa direzione.

Generatori elettrochimici

Si tratta di celle a combustibile che funzionano anche a idrogeno. Il carburante viene fatto passare attraverso membrane polimeriche con una sostanza speciale: un catalizzatore. Come risultato di una reazione chimica con l'ossigeno, l'idrogeno stesso viene convertito in acqua, liberando energia chimica durante la combustione, che viene convertita in energia elettrica.

I motori con celle a combustibile sono caratterizzati dalla massima efficienza (oltre il 70%), che è doppia rispetto a quella delle centrali elettriche convenzionali. Inoltre, sono facili da usare, silenziosi durante il funzionamento e poco impegnativi da riparare.

Fino a poco tempo fa le celle a combustibile avevano un ambito di applicazione ristretto, ad esempio nella ricerca spaziale. Ma ora il lavoro sull'introduzione di generatori elettrochimici viene svolto attivamente nella maggior parte dei paesi economicamente sviluppati, tra cui il Giappone occupa il primo posto. La potenza totale di queste unità nel mondo è misurata in milioni di kW. Ad esempio, le centrali elettriche che utilizzano tali elementi sono già operative a New York e Tokyo, e la casa automobilistica tedesca Daimler-Benz è stata la prima a creare un prototipo funzionante di un'auto con un motore che funziona secondo questo principio.

Fusione termonucleare controllata

La ricerca nel campo dell’energia termonucleare è in corso da diversi decenni. L'energia atomica si basa sulla reazione della fissione nucleare e l'energia termonucleare si basa sul processo inverso: i nuclei degli isotopi dell'idrogeno (deuterio, trizio) si fondono. Nel processo di combustione nucleare di 1 kg di deuterio, la quantità di energia liberata è 10 milioni di volte maggiore di quella ottenuta dal carbone. Il risultato è davvero impressionante! Ecco perché l’energia termonucleare è considerata una delle aree più promettenti per risolvere i problemi della carenza energetica globale.

Previsioni

Oggi esistono diversi scenari per lo sviluppo futuro della situazione energetica globale. Secondo alcuni di essi, entro il 2060 il consumo globale di energia in equivalente petrolio aumenterà fino a 20 miliardi di tonnellate. Allo stesso tempo, in termini di volumi di consumo, i paesi attualmente in via di sviluppo supereranno quelli sviluppati.

Entro la metà del 21° secolo, il volume delle risorse energetiche fossili dovrebbe diminuire in modo significativo, ma la quota di fonti energetiche rinnovabili, in particolare quelle eoliche, solari, geotermiche e delle maree, dovrebbe aumentare.

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ASTRATTO

sul tema: “Problema energetico globale”

Il problema energetico globale è il problema di fornire all’umanità carburante ed energia ora e nel prossimo futuro. La ragione principale del problema energetico globale dovrebbe essere considerata il rapido aumento del consumo di combustibili minerali nel XX secolo. Dal lato dell’offerta, ciò è causato dalla scoperta e dallo sfruttamento di enormi giacimenti di petrolio e gas nella Siberia occidentale, in Alaska e sulla piattaforma del Mare del Nord, e dal lato della domanda, dall’aumento del parco veicoli e dall’incremento del produzione di materiali polimerici. I principali problemi ambientali sono il problema del rapido esaurimento dei combustibili fossili non rinnovabili con un tasso di consumo crescente: il problema dell'approvvigionamento di petrolio, carbone, gas naturale, l'aumento del consumo di elettricità, che molte volte supera la sua produzione. Si ritiene che all'attuale livello di estrazione mineraria, le riserve accertate di carbone dovrebbero durare 325 anni. gas naturale - per 62 anni e petrolio - per 37 anni. Oggi il consumo totale di energia termica nel mondo è una quantità colossale: oltre 1013 W all'anno (equivalenti a 36 miliardi di tonnellate di combustibile standard).

Per quanto riguarda le prospettive dell'energia nucleare, tutte le riserve industriali conosciute di uranio saranno esaurite nel primo decennio del 21° secolo. Tenendo conto dei costi di estrazione del combustibile, neutralizzazione, riciclaggio e smaltimento dei rifiuti, conservazione dei reattori esausti (e la loro risorsa non supera i 30 anni), costi per le esigenze sociali e ambientali, il costo dell'energia delle centrali nucleari aumenterà molte volte superare qualsiasi livello economicamente accettabile. Secondo gli esperti, i soli costi per la rimozione, lo smaltimento e la neutralizzazione delle scorie nucleari accumulate nelle imprese russe ammonteranno a circa 400 miliardi di dollari, mentre per garantire il livello di sicurezza tecnologica richiesto, la probabilità sarà di 25 miliardi di dollari dei loro incidenti aumenta. Pertanto, l’energia nucleare non ha prospettive a lungo termine.

I modi principali per risolvere il problema energetico globale:

Un modo estensivo per risolvere il problema energetico comporta un ulteriore aumento della produzione di energia e crescita assoluta consumo di energia. Questo percorso rimane rilevante per l’economia mondiale moderna. Il consumo mondiale di energia in termini assoluti dal 1996 al 2003 è aumentato da 12 a 15,2 miliardi di tonnellate di carburante equivalente. Allo stesso tempo, diversi paesi si trovano a dover raggiungere il limite della propria produzione energetica (Cina) o alla prospettiva di ridurla (Gran Bretagna). Questo sviluppo di eventi incoraggia la ricerca di modi per utilizzare in modo più razionale le risorse energetiche e la transizione verso fonti energetiche alternative non tradizionali (AES). Sono rispettosi dell’ambiente, rinnovabili e si basano sull’energia del Sole e della Terra. L'energia solare si basa sull'uso diretto della radiazione solare per produrre energia in qualche forma. L'energia solare utilizza una fonte di energia inesauribile ed è rispettosa dell'ambiente, ovvero non produce rifiuti nocivi. Vantaggi: disponibilità al pubblico ed inesauribilità della fonte e completa sicurezza per l'ambiente. Svantaggi: dipendenza dal tempo e dall'ora del giorno, di conseguenza, necessità di accumulo di energia,

Costi elevati di costruzione, Necessità di pulire periodicamente la superficie riflettente dalla polvere, Riscaldamento dell'atmosfera sopra la centrale elettrica.

Nel 2010, il 2,7% dell'elettricità spagnola proveniva dall'energia solare e il 2% dell'elettricità tedesca proveniva dal fotovoltaico. Nel dicembre 2011 in Ucraina è stata completata la costruzione dell'ultimo, quinto stadio da 20 megawatt del parco solare di Perovo, a seguito della quale la sua capacità installata totale è aumentata a 100 MW. Seguono la centrale canadese Sarnia (97 MW), l'italiana Montalto di Castro (84,2 MW) e la tedesca Finsterwalde (80,7 MW). A completare i cinque parchi fotovoltaici più grandi del mondo c'è un altro progetto in Ucraina: la centrale elettrica Okhotnikov da 80 megawatt nella regione di Saki in Crimea. Nel settembre 2010 nella regione di Belgorod è stata inaugurata la prima centrale solare russa con una capacità di 100 kW. L'energia generata dalla radiazione solare sarà ipoteticamente in grado di fornire il 20-25% del fabbisogno elettrico dell'umanità entro il 2050 e di ridurre le emissioni di anidride carbonica. Secondo gli esperti dell'Agenzia internazionale per l'energia (IEA), l'energia solare in 40 anni con un adeguato livello di diffusione di tecnologie avanzate genererà circa 9mila terawattora - ovvero il 20-25% di tutta l'elettricità necessaria, e questo ridurrà il carbonio emissioni di biossido di 6 miliardi di tonnellate all’anno.

Energia eolica. Le turbine eoliche rappresentano un modo abbastanza promettente per ottenere energia da una fonte rispettosa dell'ambiente. Soprattutto in condizioni di aumento dei prezzi del petrolio, del gas e del carbone. L’energia eolica è competitiva nelle regioni con velocità del vento da moderate ad elevate. Considerando il fatto che il processo di produzione dell'energia eolica non richiede altro che turbine eoliche. Non sono previsti costi per l'acquisto e la consegna delle materie prime né per la riduzione dell'inquinamento ambientale. A differenza delle moderne centrali elettriche, un impianto eolico può funzionare ininterrottamente anche se una delle turbine eoliche si guasta, perché il resto degli impianti continua a funzionare. Un parco eolico può funzionare a pieno regime solo il 10% del tempo, nonostante sia costruito in zone generalmente ventose. Tuttavia, le turbine eoliche producono energia elettrica per la maggior parte del tempo in cui sono operative (65-80%), anche se la quantità di energia prodotta può variare. Un tipico impianto da due megawatt produce elettricità per 600-800 case. E con l’uso delle nuove tecnologie questa cifra potrebbe aumentare.

Energia termica della terra. Alcuni paesi del mondo (non tutti) sono ricchi di sorgenti termali e di famosi geyser-fontane di acqua calda, che sgorgano dal terreno con precisione cronometrica. Ad esempio, l'Islanda. I residenti di questo piccolo paese del nord gestiscono molto intensamente la caldaia sotterranea. La capitale Reykjavik, dove vive metà della popolazione del paese, è riscaldata solo da fonti sotterranee. Esistono anche centrali elettriche che utilizzano sorgenti calde sotterranee. L’Islanda è completamente autosufficiente per quanto riguarda pomodori, mele e persino banane! Numerose serre islandesi ricevono energia dal calore della terra: in Islanda non ci sono praticamente altre fonti energetiche locali. problema energetico del carburante bioenergia

Energia da biomassa. Il termine "biomassa" si riferisce alla materia organica che ha trattenuto l'energia del sole attraverso il processo di fotosintesi. Nella sua forma originale esiste sotto forma di piante. Più avanti lungo la catena alimentare può essere trasmesso agli erbivori e, se vengono mangiati, ai carnivori. Quando la biomassa (legno, vegetazione secca) viene bruciata, vengono rilasciate energia immagazzinata e anidride carbonica. Oggi, questo settore è al secondo posto dopo l’energia idroelettrica nell’elenco delle fonti alternative grazie alla sua convenienza e disponibilità. Rappresenta il 15% della fornitura energetica mondiale e fino al 35% nei paesi in via di sviluppo. Utilizzato principalmente per cucinare e riscaldare, il lato positivo è che verrà emessa meno anidride carbonica pura, con conseguente effetto serra. Ma d’altro canto, la deforestazione aumenterà. E oggi questo è uno dei problemi globali. I deserti stanno guadagnando sempre più spazio. I terreni un tempo fertili, lasciati senza copertura vegetale, saranno soggetti ad erosione e perderanno materia organica.

Pertanto, il problema energetico globale nella sua precedente interpretazione come minaccia di una carenza assoluta di risorse nel mondo non esiste. Tuttavia, il problema dell'approvvigionamento delle risorse energetiche rimane in forma modificata.

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Ministero dell'Agricoltura e dell'Alimentazione della Federazione Russa

Istituto educativo statale federale di istruzione professionale superiore Accademia agricola statale degli Urali

Dipartimento di Ecologia e Igiene Animale

Abstract sull’ecologia:

Problemi energetici dell'umanità

Artista: ANTOniO

studente FTJ 212T

Testa: Lopaeva

Nadezhda Leonidovna

Ekaterinburg 2007

Introduzione. 3

Energia: previsioni nella prospettiva dello sviluppo sostenibile dell'umanità. 5

Fonti energetiche non tradizionali. undici

Energia del sole. 12

Energia eolica. 15

Energia termica della terra. 18

Energia delle acque interne. 19

Energia da biomassa.. 20

Conclusione. 21

Letteratura. 23

introduzione

Ora più che mai si pone la domanda su quale sarà il futuro del pianeta in termini energetici. Cosa attende l'umanità: fame di energia o abbondanza di energia? Nei giornali e in varie riviste diventano sempre più frequenti articoli sulla crisi energetica. A causa del petrolio scoppiano le guerre, gli stati prosperano e diventano più poveri e i governi cambiano. Le sensazioni dei giornali hanno cominciato a includere notizie sul lancio di nuove installazioni o nuove invenzioni nel campo dell'energia. Si stanno sviluppando giganteschi programmi energetici, la cui attuazione richiederà enormi sforzi ed enormi costi materiali.

Se alla fine del XIX secolo l'energia svolgeva, in generale, un ruolo ausiliario e insignificante nell'equilibrio globale, già nel 1930 il mondo produceva circa 300 miliardi di kilowattora di elettricità. Nel tempo: numeri giganteschi, tassi di crescita enormi! Eppure ci sarà poca energia: la sua necessità sta crescendo ancora più velocemente. Il livello della cultura materiale e, in ultima analisi, spirituale delle persone dipende direttamente dalla quantità di energia a loro disposizione.

Per estrarre il minerale, fonderne il metallo, costruire una casa, realizzare qualsiasi cosa, è necessario spendere energia. Ma i bisogni umani crescono continuamente e ci sono sempre più persone. Allora perché fermarsi? Scienziati e inventori hanno sviluppato da tempo numerosi modi per produrre energia, principalmente energia elettrica. Costruiamo allora sempre più centrali elettriche, e ci sarà tutta l'energia necessaria! Questa soluzione apparentemente ovvia a un problema complesso si rivela piena di molte insidie. Le inesorabili leggi della natura affermano che è possibile ottenere energia adatta all'uso solo attraverso la sua trasformazione da altre forme.

Le macchine a moto perpetuo, che presumibilmente producono energia e non la prendono da nessuna parte, purtroppo sono impossibili. E la struttura dell’economia energetica mondiale oggi si è sviluppata in modo tale che quattro su cinque kilowatt prodotti sono ottenuti in linea di principio nello stesso modo in cui l’uomo primitivo si riscaldava, cioè bruciando combustibile, o utilizzando energia chimica in esso immagazzinata, convertendola in elettrica nelle centrali termoelettriche.

È vero, i metodi per bruciare il carburante sono diventati molto più complessi e avanzati. Le crescenti richieste di protezione ambientale hanno richiesto un nuovo approccio all’energia. Allo sviluppo del Programma Energetico hanno preso parte i più eminenti scienziati e specialisti di vari settori. Utilizzando i più recenti modelli matematici, i computer elettronici hanno calcolato diverse centinaia di opzioni per la struttura del futuro bilancio energetico. Sono state trovate soluzioni fondamentali che determineranno la strategia di sviluppo energetico per i prossimi decenni. Anche se il settore energetico del prossimo futuro sarà ancora basato sulla produzione di energia termica basata su risorse non rinnovabili, la sua struttura cambierà. L’uso del petrolio deve essere ridotto. La produzione di elettricità nelle centrali nucleari aumenterà in modo significativo.

Energia: previsioni nella prospettiva dello sviluppo sostenibile dell'umanità

Secondo quali leggi si svilupperà in futuro il settore energetico mondiale, sulla base del concetto di sviluppo sostenibile dell'umanità delle Nazioni Unite? I risultati della ricerca degli scienziati di Irkutsk e il loro confronto con i lavori di altri autori hanno permesso di stabilire una serie di modelli e caratteristiche generali.

Il concetto di sviluppo sostenibile dell’umanità, formulato alla Conferenza delle Nazioni Unite di Rio de Janeiro nel 1992, incide senza dubbio sull’energia. La Conferenza mostra che l’umanità non può continuare a svilupparsi nel modo tradizionale, caratterizzato dall’uso irrazionale delle risorse naturali e dal progressivo impatto negativo sull’ambiente. Se i paesi in via di sviluppo seguissero lo stesso percorso attraverso il quale i paesi sviluppati hanno raggiunto la loro prosperità, allora una catastrofe ambientale globale sarà inevitabile.

Il concetto di sviluppo sostenibile si basa sulla necessità oggettiva (nonché diritto e inevitabilità) dello sviluppo socioeconomico dei paesi del terzo mondo. I paesi sviluppati potrebbero, a quanto pare, “fare i conti” (almeno per qualche tempo) con il livello di benessere e di consumo delle risorse del pianeta raggiunto. Tuttavia, non stiamo parlando solo di preservare l’ambiente e le condizioni dell’esistenza umana, ma anche di aumentare contemporaneamente il livello socioeconomico dei paesi in via di sviluppo (il “Sud”) e avvicinarlo al livello dei paesi sviluppati (il “Sud”) Nord").

I requisiti per l’energia sostenibile saranno, ovviamente, più ampi rispetto a quelli per l’energia pulita. I requisiti di inesauribilità delle risorse energetiche utilizzate e di pulizia ambientale, incorporati nel concetto di un sistema energetico rispettoso dell'ambiente, soddisfano due i principi più importanti sviluppo sostenibile: rispettare gli interessi delle generazioni future e preservare l’ambiente. Analizzando i restanti principi e caratteristiche del concetto di sviluppo sostenibile, possiamo concludere che in questo caso almeno due requisiti aggiuntivi dovrebbero essere presentati al settore energetico:

Garantire che il consumo energetico (compresi i servizi energetici alla popolazione) non sia inferiore a un determinato minimo sociale;

Lo sviluppo dell’energia nazionale (così come dell’economia) deve essere reciprocamente coordinato con il suo sviluppo a livello regionale e globale.

Il primo deriva dai principi di priorità fattori sociali e garantire la giustizia sociale: per realizzare il diritto delle persone a una vita sana e fruttuosa, ridurre il divario nel tenore di vita dei popoli del mondo, sradicare la povertà e la miseria, è necessario garantire un certo salario dignitoso, compreso il soddisfacimento del fabbisogno energetico minimo necessario della popolazione e dell’economia.

La seconda esigenza è legata alla natura globale dell’imminente disastro ambientale e alla necessità di azioni coordinate da parte dell’intera comunità mondiale per eliminare questa minaccia. Persino i paesi che dispongono di risorse energetiche proprie sufficienti, come la Russia, non possono pianificare il proprio sviluppo energetico in modo isolato a causa della necessità di tenere conto dei vincoli ambientali ed economici globali e regionali.

Nel 1998-2000 L'ISEM SB RAS ha condotto una ricerca sulle prospettive di sviluppo energetico nel mondo e nelle sue regioni nel 21° secolo, in cui, insieme agli obiettivi solitamente fissati per determinare le tendenze a lungo termine nello sviluppo energetico, indicazioni razionali del progresso scientifico e tecnico , eccetera. Si è cercato di testare le opzioni di sviluppo energetico risultanti “per la sostenibilità”, vale a dire per il rispetto delle condizioni e dei requisiti dello sviluppo sostenibile. Inoltre, contrariamente alle opzioni di sviluppo precedentemente sviluppate secondo il principio “cosa accadrà se...”, gli autori hanno cercato di offrire una previsione quanto più plausibile possibile per lo sviluppo del settore energetico del mondo e delle sue regioni in il 21° secolo. Nonostante tutta la sua convenzionalità, dà un’idea più realistica del futuro dell’energia, del suo possibile impatto sull’ambiente, dei costi economici necessari, ecc.

Lo schema generale di questi studi è in gran parte tradizionale: l'uso di modelli matematici per i quali vengono preparate informazioni sui bisogni energetici, sulle risorse, sulle tecnologie e sui limiti. Per tenere conto dell’incertezza delle informazioni, principalmente per quanto riguarda i bisogni e i limiti energetici, viene generata una serie di scenari per le future condizioni di sviluppo energetico. I risultati dei calcoli del modello vengono quindi analizzati con conclusioni e raccomandazioni appropriate.

Lo strumento principale di ricerca è stato il modello energetico globale GEM-10R. Questo modello è di ottimizzazione, lineare, statico, multiregionale. Di norma, il mondo era diviso in 10 regioni: Nord America, Europa, paesi dell’ex Unione Sovietica, America Latina, Cina, ecc. Il modello ottimizza simultaneamente la struttura energetica di tutte le regioni, tenendo conto dell’export-import di carburante ed energia a intervalli di 25 anni: 2025, 2050, 2075 e 2100 L'intera catena tecnologica viene ottimizzata, a partire dall'estrazione (o produzione) delle risorse energetiche primarie, per finire con le tecnologie per la produzione di quattro tipologie di energia finale (elettrica, termica, meccanica e chimica). Il modello presenta diverse centinaia di tecnologie per la produzione, la lavorazione, il trasporto e il consumo di risorse energetiche primarie e di vettori energetici secondari. Sono previste restrizioni ambientali regionali e globali (sulle emissioni di CO 2, SO 2 e particolato), restrizioni sullo sviluppo di tecnologie, calcolo dei costi per lo sviluppo e il funzionamento dell'energia regionale, determinazione delle doppie valutazioni, ecc. Risorse energetiche primarie (comprese quelle rinnovabili) nelle regioni sono suddivisi in 4-9 categorie di costo.

L'analisi dei risultati ha mostrato che le opzioni ottenute per lo sviluppo del settore energetico mondiale e regionale sono ancora difficili da attuare e non soddisfano pienamente i requisiti e le condizioni per lo sviluppo sostenibile del mondo negli aspetti socioeconomici. In particolare, il livello di consumo energetico in esame sembrava, da un lato, difficile da raggiungere e, dall’altro, non garantire l’auspicato avvicinamento dei paesi in via di sviluppo ai paesi sviluppati in termini di consumo energetico pro capite e di sviluppo economico (specifici Pil). A questo proposito, è stata effettuata una nuova previsione del consumo energetico (ridotto), ipotizzando un tasso più elevato di riduzione dell'intensità energetica del PIL e la fornitura di assistenza economica dai paesi sviluppati ai paesi in via di sviluppo.

L’elevato livello di consumo energetico è determinato sulla base del PIL specifico, in gran parte coerente con le previsioni della Banca Mondiale. Allo stesso tempo, alla fine del 21° secolo, i paesi in via di sviluppo raggiungeranno solo l’attuale livello di PIL dei paesi sviluppati, vale a dire il ritardo sarà di circa 100 anni. Nell'opzione a basso consumo energetico, l'importo degli aiuti dei paesi sviluppati ai paesi in via di sviluppo si basa sugli indicatori discussi a Rio de Janeiro: circa lo 0,7% del PIL dei paesi sviluppati, ovvero 100-125 miliardi di dollari. nell'anno. Allo stesso tempo, la crescita del PIL dei paesi sviluppati diminuisce leggermente, mentre quella dei paesi in via di sviluppo aumenta. In media, il PIL pro capite mondiale in questo scenario aumenta, il che indica la fattibilità di fornire tale assistenza dal punto di vista di tutta l'umanità.

Il consumo energetico pro capite nella versione bassa si stabilizzerà nei paesi industrializzati, nei paesi in via di sviluppo aumenterà di circa 2,5 volte entro la fine del secolo e in media nel mondo di 1,5 volte rispetto al 1990. Consumo mondiale assoluto di energia finale l'energia (tenendo conto della crescita della popolazione) aumenterà entro la fine del secolo, secondo una previsione alta, di circa 3,5 volte, e secondo una previsione bassa, di 2,5 volte.

L'uso di alcuni tipi di risorse energetiche primarie è caratterizzato dalle seguenti caratteristiche. Il petrolio in tutti gli scenari viene consumato più o meno allo stesso modo: nel 2050 viene raggiunto il picco della sua produzione e entro il 2100 le risorse a basso costo (delle prime cinque categorie di costo) sono completamente o quasi completamente esaurite. Questa tendenza costante si spiega con l’elevata efficienza del petrolio per la produzione di energia meccanica e chimica, nonché di calore e di elettricità di punta. Alla fine del secolo, il petrolio viene sostituito dal combustibile sintetico (principalmente dal carbone).

La produzione di gas naturale aumenta continuamente nel corso del secolo, raggiungendo il picco alla fine. Le due categorie più costose (metano non convenzionale e idrati di metano) si sono rivelate non competitive. Il gas viene utilizzato per produrre tutti i tipi di energia finale, ma soprattutto per la produzione di calore.

Il carbone e l’energia nucleare sono soggetti ai maggiori cambiamenti a seconda delle restrizioni imposte. Essendo approssimativamente altrettanto economici, si sostituiscono a vicenda, soprattutto in scenari “estremi”. Sono utilizzati principalmente nelle centrali elettriche. Gran parte del carbone nella seconda metà del secolo viene trasformato in carburanti sintetici, e l'energia nucleare viene utilizzata su larga scala per produrre idrogeno in scenari con rigorose restrizioni sulle emissioni di CO 2 .

L’uso dell’energia rinnovabile varia in modo significativo nei diversi scenari. Solo l’energia idroelettrica tradizionale e la biomassa, nonché le risorse eoliche a basso costo, vengono utilizzate in modo sostenibile. Gli altri tipi di fonti energetiche rinnovabili sono le risorse più costose, chiudono il bilancio energetico e vengono sviluppati secondo necessità.

È interessante analizzare i costi energetici globali in diversi scenari. Sono meno probabili, naturalmente, in due scenari più recenti con consumo energetico ridotto e restrizioni moderate. Entro la fine del secolo aumenteranno di circa 4 volte rispetto al 1990. I costi più elevati si sono verificati nello scenario con aumento del consumo energetico e restrizioni severe. Alla fine del secolo, saranno 10 volte superiori ai costi del 1990 e 2,5 volte superiori ai costi negli scenari più recenti.

Va notato che l'introduzione di una moratoria sull'energia nucleare in assenza di restrizioni sulle emissioni di CO 2 aumenta i costi solo del 2%, il che si spiega con l'efficienza economica approssimativamente uguale delle centrali nucleari e delle centrali elettriche a carbone. Tuttavia, se durante la moratoria sull'energia nucleare venissero introdotte severe restrizioni sulle emissioni di CO 2 , i costi energetici quasi raddoppierebbero.

Di conseguenza, i “prezzi” di una moratoria nucleare e delle restrizioni sulle emissioni di CO2 sono molto alti. L’analisi ha mostrato che il costo della riduzione delle emissioni di CO2 potrebbe ammontare all’1-2% del PIL globale, vale a dire risultano paragonabili ai danni attesi dal cambiamento climatico sul pianeta (con riscaldamento di diversi gradi). Ciò dà motivo di parlare dell'ammissibilità (o addirittura della necessità) di allentare le restrizioni sulle emissioni di CO 2 . È infatti necessario minimizzare l'entità dei costi per la riduzione delle emissioni di CO 2 e dei danni derivanti dal cambiamento climatico (il che, ovviamente, rappresenta un compito estremamente difficile).

È molto importante che i costi aggiuntivi legati alla riduzione delle emissioni di CO2 siano sostenuti principalmente dai paesi in via di sviluppo. Nel frattempo, questi paesi, da un lato, non sono responsabili della situazione creata dall'effetto serra e, dall'altro, semplicemente non dispongono di tali fondi. Ottenere questi fondi dai paesi sviluppati causerà senza dubbio grandi difficoltà e questo è uno dei problemi più seri per raggiungere uno sviluppo sostenibile.

Nel 21° secolo siamo profondamente consapevoli delle realtà del terzo millennio. Sfortunatamente, le riserve di petrolio, gas e carbone non sono affatto infinite. La natura ha impiegato milioni di anni per creare queste riserve; queste saranno esaurite a centinaia. Oggi il mondo ha cominciato a pensare seriamente a come prevenire il saccheggio predatorio delle ricchezze terrene. Dopotutto, solo a queste condizioni le riserve di carburante possono durare per secoli. Sfortunatamente, molti paesi produttori di petrolio vivono alla giornata. Consumano senza pietà le riserve di petrolio date loro dalla natura. Cosa accadrà allora, e questo accadrà prima o poi, quando i giacimenti di petrolio e gas saranno esauriti? La probabilità di un rapido esaurimento delle riserve globali di carburante, nonché il deterioramento della situazione ambientale nel mondo (la raffinazione del petrolio e gli incidenti abbastanza frequenti durante il suo trasporto rappresentano una vera minaccia per l'ambiente) ci hanno costretto a pensare ad altri tipi di carburante in grado di sostituire petrolio e gas.

Al giorno d'oggi, sempre più ingegneri scientifici nel mondo sono alla ricerca di fonti nuove e non convenzionali che potrebbero farsi carico almeno in parte dell'onere di fornire energia all'umanità. Le fonti di energia rinnovabile non tradizionali includono l’energia solare, eolica, geotermica, da biomassa e oceanica.

Energia del sole

Recentemente, l'interesse per il problema dell'utilizzo dell'energia solare è aumentato notevolmente e, sebbene questa fonte sia anche una fonte rinnovabile, l'attenzione prestata ad essa in tutto il mondo ci costringe a considerare le sue possibilità separatamente. Il potenziale energetico basato sullo sfruttamento della radiazione solare diretta è estremamente ampio. Si noti che utilizzando solo lo 0,0125% di questa quantità di energia solare si potrebbe soddisfare tutto il fabbisogno energetico mondiale odierno, mentre utilizzando lo 0,5% si potrebbe coprire completamente il fabbisogno futuro. Sfortunatamente, è improbabile che queste enormi risorse potenziali possano mai essere sfruttate su larga scala. Uno degli ostacoli più seri a tale implementazione è la bassa intensità della radiazione solare.

Anche nelle migliori condizioni atmosferiche (latitudini meridionali, cielo sereno), la densità del flusso di radiazione solare non supera i 250 W/m2. Pertanto, affinché i collettori di radiazione solare possano “raccogliere” in un anno l'energia necessaria a soddisfare tutti i bisogni dell'umanità, è necessario che siano collocati su un'area di 130.000 km 2! La necessità di utilizzare collettori di grandi dimensioni comporta anche notevoli costi di materiale. Il collettore di radiazione solare più semplice è una lamiera metallica annerita, all'interno della quale si trovano dei tubi in cui circola un liquido. Riscaldato dall'energia solare assorbita dal collettore, il liquido viene fornito per l'utilizzo diretto. Secondo i calcoli, la produzione di collettori di radiazione solare con una superficie di 1 km 2 richiede circa 10 4 tonnellate di alluminio. Le riserve mondiali accertate di questo metallo oggi sono stimate in 1,17 * 10 9 tonnellate.

È chiaro che ci sono vari fattori che limitano la potenza dell'energia solare. Supponiamo che in futuro sarà possibile utilizzare non solo l'alluminio, ma anche altri materiali per la produzione di collezionisti. La situazione cambierà in questo caso? Partiremo dal fatto che in una fase separata dello sviluppo energetico (dopo il 2100) tutto il fabbisogno energetico mondiale sarà soddisfatto dall'energia solare. Nell'ambito di questo modello, si può stimare che in questo caso sarà necessario “raccogliere” l'energia solare su un'area compresa tra 1 * 10 6 e 3 * 10 6 km 2. Allo stesso tempo, la superficie totale dei terreni coltivabili nel mondo oggi è 13 * 10 6 km 2. L’energia solare è uno dei tipi di produzione di energia a maggior consumo di materiali. L'uso su larga scala dell'energia solare comporta un gigantesco aumento della necessità di materiali e, di conseguenza, delle risorse di lavoro per l'estrazione delle materie prime, il loro arricchimento, l'ottenimento di materiali, la produzione di eliostati, collettori, altre attrezzature e il loro trasporto. I calcoli mostrano che per produrre 1 MW di energia elettrica all’anno utilizzando l’energia solare, saranno necessarie dalle 10.000 alle 40.000 ore di lavoro.

Nella produzione energetica tradizionale utilizzando combustibili fossili, questa cifra è di 200-500 ore-uomo. L'energia elettrica generata dai raggi solari è ancora molto più costosa di quella ottenuta modi tradizionali. Gli scienziati sperano che gli esperimenti che condurranno nelle installazioni e nelle stazioni pilota aiuteranno a risolvere non solo problemi tecnici, ma anche economici.

I primi tentativi di utilizzare l'energia solare su base commerciale risalgono agli anni '80 del secolo scorso. I maggiori successi in questo settore sono stati ottenuti da Loose Industries (USA). Nel dicembre 1989 ha messo in funzione una stazione di gas solare con una capacità di 80 MW. Qui, in California, nel 1994 furono introdotti altri 480 MW di energia elettrica, e il costo di 1 kW/h di energia era di 7-8 centesimi. Questo è inferiore rispetto alle stazioni tradizionali. Di notte e in inverno l'energia è fornita principalmente dal gas, mentre in estate e di giorno dal sole. Una centrale elettrica in California ha dimostrato che il gas e il solare, in quanto principali fonti energetiche del prossimo futuro, possono effettivamente integrarsi a vicenda. Pertanto non è un caso che il partner dell'energia solare sia proprio questo diversi tipi combustibile liquido o gassoso. Il candidato più probabile è l’idrogeno.

La sua produzione utilizzando l'energia solare, ad esempio mediante elettrolisi dell'acqua, può essere piuttosto economica e il gas stesso, che ha un elevato potere calorifico, può essere facilmente trasportato e immagazzinato per lungo tempo. Da qui la conclusione: la possibilità più economica di utilizzo dell'energia solare, oggi visibile, è quella di indirizzarla verso l'ottenimento di tipi di energia secondari nelle regioni soleggiate del globo. Il combustibile liquido o gassoso risultante può essere pompato attraverso condutture o trasportato tramite cisterna in altre aree. Sviluppo veloce l'energia solare è diventata possibile grazie alla riduzione del costo dei convertitori fotovoltaici per 1 W di potenza installata da 1.000 dollari nel 1970 a 3-5 dollari nel 1997 e ad un aumento della loro efficienza dal 5 al 18%. Ridurre il costo di un watt solare a 50 centesimi consentirà alle centrali solari di competere con altre fonti energetiche autonome, come le centrali diesel.

Energia eolica

L'energia delle masse d'aria in movimento è enorme. Le riserve di energia eolica sono più di cento volte maggiori delle riserve idroelettriche di tutti i fiumi del pianeta. I venti che soffiano sulle vaste distese del nostro Paese potrebbero facilmente soddisfare tutto il suo fabbisogno di elettricità! Le condizioni climatiche consentono lo sviluppo dell'energia eolica su un vasto territorio dai nostri confini occidentali fino alle rive dello Yenisei. Le regioni settentrionali del paese lungo la costa dell’Oceano Artico sono ricche di energia eolica, dove è particolarmente necessaria alle persone coraggiose che vivono in queste ricche terre. Perché una fonte di energia così abbondante, accessibile ed ecologica è così poco utilizzata? Oggi i motori eolici soddisfano solo un millesimo del fabbisogno energetico mondiale. La tecnologia del 20° secolo ha aperto opportunità completamente nuove per l'energia eolica, il cui compito è diventato diverso: generare elettricità. All'inizio del secolo N.E. Zhukovsky sviluppò la teoria del motore eolico, sulla base della quale si potevano creare impianti ad alte prestazioni in grado di ricevere energia dalla brezza più debole. Sono apparsi molti progetti di turbine eoliche che sono incomparabilmente più avanzate dei vecchi mulini a vento. Nuovi progetti utilizzano i risultati di molti rami della conoscenza. Al giorno d'oggi, gli specialisti dell'aeronautica che sanno come selezionare il profilo della pala più appropriato e studiarlo in una galleria del vento sono coinvolti nella creazione di progetti di ruote eoliche, il cuore di ogni impianto eolico. Grazie agli sforzi di scienziati e ingegneri, è stata creata un'ampia varietà di progetti di moderne turbine eoliche.

La prima macchina a pale a utilizzare l'energia eolica fu una vela. A parte una fonte di energia, una vela e una turbina eolica condividono lo stesso principio. La ricerca di Yu. S. Kryuchkov ha dimostrato che una vela può essere rappresentata sotto forma di un motore eolico con un diametro della ruota infinito. La vela è la macchina a pale più avanzata, con la massima efficienza, che utilizza direttamente l'energia eolica per la propulsione.

L'energia eolica, utilizzando ruote e caroselli eolici, viene ora ripresa, principalmente negli impianti a terra. Negli Stati Uniti sono già state costruite e sono operative installazioni commerciali. I progetti sono finanziati per metà dal bilancio statale. La seconda metà è investita dai futuri consumatori di energia pulita.

I primi sviluppi della teoria della macchina eolica risalgono al 1918. V. Zalewski si interessò contemporaneamente alle turbine eoliche e all'aviazione. Iniziò a creare una teoria completa del mulino a vento e derivò diversi principi teorici che una turbina eolica dovrebbe soddisfare.

All'inizio del XX secolo, l'interesse per le eliche e le ruote eoliche non era isolato dalla tendenza generale dell'epoca: sfruttare il vento ove possibile. Inizialmente, le turbine eoliche erano più diffuse in agricoltura. L'elica veniva utilizzata per azionare i meccanismi della nave. Sul famoso “Fram” ha ruotato la dinamo. Sulle barche a vela, i mulini a vento azionavano pompe e meccanismi di ancoraggio.

In Russia, all'inizio del secolo scorso, giravano circa 2.500mila turbine eoliche con una capacità totale di un milione di kilowatt. Dopo il 1917 i mulini rimasero senza proprietari e progressivamente crollarono. È vero, sono stati fatti tentativi per utilizzare l'energia eolica su base scientifica e governativa. Nel 1931, vicino a Yalta, fu costruito il più grande impianto eolico dell'epoca con una capacità di 100 kW, e successivamente fu sviluppato un progetto per un'unità da 5000 kW. Ma non è stato possibile realizzarlo, poiché l'Istituto per l'energia eolica, che si occupava di questo problema, è stato chiuso.

Negli Stati Uniti, nel 1940, fu costruita una turbina eolica con una capacità di 1250 kW. Verso la fine della guerra una delle sue lame venne danneggiata. Non si sono nemmeno presi la briga di ripararlo: gli economisti hanno calcolato che sarebbe più redditizio utilizzare una centrale diesel convenzionale. Ulteriori ricerche su questa installazione sono state interrotte.

I tentativi falliti di utilizzare l’energia eolica nella produzione energetica su larga scala negli anni Quaranta del XX secolo non furono casuali. Il petrolio rimase relativamente a buon mercato, gli investimenti di capitale specifici nelle grandi centrali termoelettriche diminuirono drasticamente e lo sviluppo dell’energia idroelettrica, come sembrava allora, avrebbe garantito sia prezzi bassi che una soddisfacente pulizia ambientale.

Uno svantaggio significativo dell’energia eolica è la sua variabilità nel tempo, ma ciò può essere compensato dall’ubicazione delle turbine eoliche. Se, in condizioni di completa autonomia, vengono combinate diverse dozzine di grandi turbine eoliche, la loro potenza media sarà costante. Se sono disponibili altre fonti energetiche, un generatore eolico può integrare quelle esistenti. Infine, l'energia meccanica può essere ottenuta direttamente da una turbina eolica.

Energia termica della terra

Le persone conoscono da tempo le manifestazioni spontanee di un'energia gigantesca nascosta nelle profondità del globo. La potenza dell'eruzione è molte volte maggiore della potenza delle più grandi centrali elettriche create dalle mani dell'uomo. È vero, non è necessario parlare dell'uso diretto dell'energia delle eruzioni vulcaniche: le persone non hanno ancora la capacità di frenare questo elemento ribelle e, fortunatamente, queste eruzioni sono eventi piuttosto rari. Ma queste sono manifestazioni di energia nascosta nelle viscere della terra, quando solo una piccola frazione di questa inesauribile energia trova liberazione attraverso le bocche sputafuoco dei vulcani. Il piccolo paese europeo dell'Islanda è completamente autosufficiente per quanto riguarda pomodori, mele e persino banane! Numerose serre islandesi ricevono energia dal calore della terra: in Islanda non ci sono praticamente altre fonti energetiche locali. Ma questo paese è molto ricco di sorgenti termali e di famosi geyser-fontane di acqua calda, che sgorgano dal terreno con precisione cronometrica. E sebbene non siano gli islandesi ad avere la priorità nello sfruttamento del calore proveniente da fonti sotterranee, gli abitanti di questo piccolo paese del nord utilizzano la caldaia sotterranea in modo molto intensivo.

Reykjavik, dove risiede metà della popolazione del paese, è riscaldata solo da fonti sotterranee. Ma l’uomo trae energia dalle profondità della terra non solo per il riscaldamento. Le centrali elettriche che utilizzano sorgenti calde sotterranee funzionano da molto tempo. La prima centrale elettrica di questo tipo, ancora a bassissima potenza, fu costruita nel 1904 nella piccola città italiana di Larderello. A poco a poco, la potenza della centrale è cresciuta, sono state messe in funzione sempre più nuove unità, sono state utilizzate nuove fonti di acqua calda e oggi la potenza della centrale ha già raggiunto un valore impressionante: 360mila kilowatt. In Nuova Zelanda esiste una centrale elettrica del genere nell'area di Wairakei, la sua capacità è di 160mila kilowatt. A 120 chilometri da San Francisco, negli Stati Uniti, una stazione geotermica con una capacità di 500mila kilowatt produce elettricità.

Energia dell'acqua interna

Prima di tutto, le persone hanno imparato a usare l'energia dei fiumi. Ma durante l’epoca d’oro dell’elettricità, la ruota idraulica rinacque sotto forma di turbina idraulica. I generatori elettrici che producevano energia dovevano essere ruotati e l'acqua poteva farlo con successo. Si può considerare che l’energia idroelettrica moderna sia nata nel 1891. I vantaggi delle centrali idroelettriche sono evidenti: fornitura di energia costantemente rinnovata dalla natura stessa, facilità di funzionamento e mancanza di inquinamento ambientale. E l’esperienza nella costruzione e nella gestione di ruote idrauliche potrebbe fornire un notevole aiuto agli ingegneri idroelettrici.

Tuttavia, per far girare potenti turbine idrauliche, è necessario accumulare un’enorme riserva d’acqua dietro la diga. Per costruire una diga è necessario stendere così tanto materiale che il volume delle gigantesche piramidi egiziane sembrerà insignificante al confronto. Nel 1926 entrò in funzione la centrale idroelettrica di Volkhov e l'anno successivo iniziò la costruzione della famosa centrale idroelettrica del Dnepr. La politica energetica del nostro Paese ha portato allo sviluppo di un sistema di potenti centrali idroelettriche. Nessuno stato può vantare giganti energetici come le centrali idroelettriche Volga, Krasnoyarsk e Bratsk, Sayano-Shushenskaya. La centrale elettrica sul fiume Rance, composta da 24 generatori a turbina reversibili e con una potenza di uscita di 240 megawatt, è una delle centrali idroelettriche più potenti della Francia. Le centrali idroelettriche sono la fonte di energia più conveniente. Ma presentano degli svantaggi: durante il trasporto di elettricità attraverso le linee elettriche, si verificano perdite fino al 30% e vengono create radiazioni elettromagnetiche pericolose per l'ambiente. Finora, solo una piccola parte del potenziale idroelettrico della terra è al servizio delle persone. Ogni anno enormi corsi d'acqua generati dalla pioggia e dallo scioglimento delle nevi sfociano nei mari inutilizzati. Se fosse possibile ritardarli con l'aiuto delle dighe, l'umanità riceverebbe un'ulteriore colossale quantità di energia.

Energia da biomassa

Negli Stati Uniti, a metà degli anni '70, un gruppo di specialisti della ricerca oceanica, ingegneri marini e subacquei creò il primo parco energetico oceanico al mondo a una profondità di 12 metri sotto la superficie soleggiata dell'Oceano Pacifico vicino alla città di San Clemente. La fattoria coltivava alghe giganti della California. Secondo il direttore del progetto, il dottor Howard A. Wilcox del Center for Marine and Ocean Systems Research di San Diego, California, "fino al 50% dell'energia di queste alghe potrebbe essere convertita in combustibile: il gas naturale metano. la futura coltivazione delle alghe brune "su un'area di circa 100.000 acri (40.000 ettari), sarà in grado di fornire energia sufficiente a soddisfare completamente il fabbisogno di una città americana con una popolazione di 50.000 persone".

Oltre alle alghe, la biomassa può contenere anche prodotti di scarto degli animali domestici. Così, il 16 gennaio 1998, il quotidiano “St. , stava cercando il sostegno dell'UE per la costruzione di una centrale elettrica nella britannica Northampton, funzionante... con escrementi di pollo. Il progetto fa parte del programma comunitario Thermie, che prevede lo sviluppo di nuove fonti energetiche non tradizionali e metodi per risparmiare risorse energetiche. Il 13 gennaio la Commissione europea ha distribuito 140 milioni di ecu a 134 progetti.

La centrale progettata dall'azienda finlandese brucerà 120mila tonnellate di sterco di pollo all'anno nelle fornaci, generando 75 milioni di kilowattora di energia.

Conclusione

Possiamo identificare una serie di tendenze e caratteristiche generali nello sviluppo dell’energia mondiale all’inizio del secolo.

1. Nel 21° secolo. Un aumento significativo del consumo energetico globale è inevitabile, soprattutto nei paesi in via di sviluppo. Nei paesi industrializzati il ​​consumo energetico potrebbe stabilizzarsi attorno ai livelli attuali o addirittura diminuire entro la fine del secolo. Secondo una bassa previsione degli autori, il consumo globale di energia finale potrebbe ammontare a 350 milioni di TJ/anno nel 2050, e a 450 milioni di TJ/anno nel 2100 (con un consumo attuale di circa 200 milioni di TJ/anno).

2. L’umanità dispone di risorse energetiche sufficienti per il 21° secolo, ma l’aumento dei prezzi dell’energia è inevitabile. I costi annuali per l’energia globale aumenteranno di 2,5-3 volte entro la metà del secolo e di 4-6 volte entro la fine dello stesso rispetto al 1990. Il costo medio di un’unità di energia finale aumenterà in questi periodi del 20-30% 40 volte rispettivamente l’80% (gli aumenti dei prezzi del carburante e dell’energia potrebbero essere anche maggiori).

3. L'introduzione di restrizioni globali sulle emissioni di CO 2 (il più importante gas serra) influenzerà notevolmente la struttura energetica delle regioni e del mondo nel suo insieme. I tentativi di mantenere le emissioni globali ai livelli attuali sono da considerarsi irrealistici a causa di una difficile contraddizione: i costi aggiuntivi per limitare le emissioni di CO 2 (circa 2 trilioni di dollari/anno a metà secolo e più di 5 trilioni di dollari/anno a fine secolo) secolo) dovrà essere sostenuto prevalentemente dai paesi in via di sviluppo, che, nel frattempo, “non sono responsabili” del problema che si è presentato e non dispongono dei fondi necessari; È improbabile che i paesi sviluppati siano disposti o in grado di sostenere tali costi. Si può considerare realistico, dal punto di vista della garanzia di strutture energetiche soddisfacenti per le regioni del mondo (e dei costi del suo sviluppo), limitare le emissioni globali di CO 2 a 12-14 Gt C/anno nella seconda metà del secolo. , cioè. a un livello circa doppio rispetto a quello del 1990. Allo stesso tempo, rimane il problema della distribuzione delle quote e dei costi aggiuntivi per limitare le emissioni tra paesi e regioni.

4. Lo sviluppo dell'energia nucleare rappresenta il massimo rimedio efficace riduzione delle emissioni di CO2. Negli scenari in cui sono state introdotte restrizioni severe o moderate sulle emissioni di CO 2 e non vi sono restrizioni sull'energia nucleare, la scala ottimale del suo sviluppo si è rivelata estremamente ampia. Un altro indicatore della sua efficacia è stato il “prezzo” della moratoria nucleare, che, con rigide restrizioni sulle emissioni di CO2, si traduce in un aumento dell’80% dei costi energetici globali (più di 8 trilioni di dollari all’anno alla fine del 21° secolo). . A questo proposito sono stati considerati scenari con restrizioni “moderate” allo sviluppo dell'energia nucleare per ricercare alternative realisticamente possibili.

5. Una condizione indispensabile per la transizione verso lo sviluppo sostenibile è l'assistenza (finanziaria, tecnica) ai paesi più arretrati da parte dei paesi sviluppati. Per ottenere risultati concreti, tale assistenza dovrà essere fornita nei prossimi decenni, da un lato, per accelerare il processo di avvicinamento del tenore di vita dei paesi in via di sviluppo al livello dei paesi sviluppati e, dall’altro, affinché tale assistenza possono ancora rappresentare una quota significativa del PIL totale in rapida crescita dei paesi in via di sviluppo.

Letteratura

1. Giornale settimanale della filiale siberiana dell'Accademia russa delle scienze N 3 (2289) 19 gennaio 2001

2. Antropov P.Ya. Carburante ed energia potenziale della Terra. M., 1994

3. Odum G., Odum E. La base energetica dell'uomo e della natura. M., 1998