Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Необходимые для общества формы энергии

Простейшая деятельность человека - целесообразное изменение первоначальных продуктов природы, защита от неблагоприятных внешних условий (холода; непогоды и диких зверей) - требует в первую очередь механической работы. Большое значение для человека имеет и тепло - явление, также связанное с изменением энергии и в известном смысле аналогичное работе.

Первобытный человек собирал пищу, создавал свои примитивные орудия, охотился и рыбачил, устраивал жилье, применяя механическую работу. Даже в современном обществе энергия используется преимущественно в форме механической работы: в промышленности и сельском хозяйстве, строительстве и транспорте, быту и т.д. Кроме того, еще и сегодня очень важна механическая работа, производимая самим человеком.

Огонь

Наряду с механической работой с древних времен большую роль в жизни человека, играло тепло. В древности, для получения его искусственным путем, т.е. добыть огонь, нужно было затратить очень много механической работы, чтобы растереть сухое дерево и разогреть его до такой температуры, которой оно бы воспламенилось. Мы и сейчас не можем обойтись без механической энергии для получения огня, но наши нынешние приспособления (спички, зажигалки) позволяют это сделать с ничтожными затратами сил. Открытие способа добычи огоня означало большой шаг в развитии человечества.

Тепло, которое освобождается в результате химического превращения и проявляется в виде огня, используется современным человеком не только непосредственно для обогрева, но и как некая переходная ступень превращения химической энергии в механическую работу. Нужно заметить, что образование тепла не всегда желательно. Однако почти каждое превращение энергии сопровождается образованием тепла. Поскольку тепло не может быть полностью превращено в работу, в ряде случаев (например, при трении) его можно считать формой энергии, полностью потерянной для человека.

Химическая энергия

Первым в "истории человечества искусственно вызванным химическим процессом было, пожалуй, горение - разложение при помощи окисления растительной массы, имеющей сложный химический состав, на вещества более простые такие, как вода, углекислый газ и др. Огонь помог человеку использовать и другие химические процессы: именно благодаря огню человек смог сделать свои продукты питания мягче, вкуснее и удобоваримее.

Со временем люди научились использовать не только огонь, но и другие химические процессы. Однако только к концу XVIII века люди овладели законами природы настолько, что научились искусственно вызывать химические процессы и проводить их целенаправленно. Но теперь уже в большинстве случаев целью этих процессов было не разложение вещества, т.е. получение более простых по своему составу соединений, а наоборот, синтез веществ более сложного состава из простых "кирпичиков". Разумеется, химическое разложение сложных веществ ни в коей мере не потеряло своего значения: на нем основана, например, выплавка металлов из руды, при которой металлы высвобождаются из соединений. Продукция многих других отраслей промышленности есть результат разложения вещества сложного состава на более простые. Превращение одних химических веществ в другие сопровождается изменением химической энергии. Целесообразное и хорошо продуманное применение определенных видов энергии дает возможность в границах, установленных объективными законами природы, планомерно управлять химическими реакциями. На этой основе в последнее время стремительно развивается химическая промышленность, требующая все больших затрат энергии.

Световая энергия

Долгое время человек получал световую энергию исключительно при помощи сжигания (окисления) нагретых до каления твердых веществ. В факелах, масляных лампах, в свечах, керосиновых лампах газовых фонарях свет излучают либо возникающие в результате неполного сгорания раскаленные угольные частички, либо введенные в пламя другие твердые вещества. В современных лампах накаливания свет дает также раскаленное твердое вещество (вольфрамовая нить накаливания), но здесь свет излучается не благодаря освобождающейся в результате окислительного процесса химической энергии, а за счет превращения электрической энергии в световую.

Все же превращение электрической энергии в световую при посредстве тепла не экономично. Поэтому ныне прилагаются усилия к исключению тепла как посредника при этом превращении. В новейших осветительных приборах электрическая энергия превращается в световую без сколько-нибудь значительного выделения тепла, поэтому такие приборы отдают при одинаковом потреблении электрической энергии в три-четыре раза больше световой энергии, чем лампы накаливания.

Электрическая энергия

В энергетическом балансе современного высокоразвитого общества электрическая энергия играет все большую роль. В действительности нам, разумеется, ненужна электроэнергия как таковая, поскольку мы не можем ее ни воспринимать, ни непосредственно употреблять. Электрическую энергию можно, однако, относительно простыми средствами превращать в тепло, механическую работу или другие формы энергии. Производство электроэнергии, т. е. превращение имеющихся в природе, других форм энергии в электрическую, в больших масштабах экономически сравнительно выгодно.

Электрическую энергию можно передавать на большие расстояния с относительно малыми потерями и, таким образом, легко подводить к потребителям, поэтому ее следует считать лучшей и наиболее легко поддающейся использованию формой энергии, с помощью которой имеющиеся в природе энергетические ресурсы распределяются в соответствии с нашими нуждами.

Ныне электрическая энергия производится в основном в результате превращения химической энергии угля или нефти сначала в тепло, которое дает возможность получать механическую работу; за счет этой работы и получается в дальнейшем электрическая энергия. Такое непрямое превращение весьма неэкономично, так как при этом пропадает значительная часть энергии.При.современном состоянии науки и техники не обойтись без такого, связанного с большими потерями, способа получения электрической энергии, хотя теоретически известно, как можно избежать этих потерь. Соответствующие методы уже применяются в лабораторных условиях. Однако надежное и экономически оправданное непосредственное превращение в больших масштабах химической энергии в электрическую потребует еще очень большой исследовательской работы.

Незначительная часть электрической энергии производится не из химической, а из механической (потенциальной и кинетической) энергии воды на гидроэлектростанциях. В последнее время начинает получать некоторое распространение, новый метод получения электроэнергии - путем превращения атомной энергии в электрическую, - однако и здесь потери энергии в виде тепла значительны.

В настоящее время находят также применение, правда в весьма ограниченных масштабах, такие виды энергии, как акустическая и магнитная.

Источники энергии

В большинстве случаев природа поставляет нам энергию не в той форме, в какой она нужна для наших конкретных целей. Поэтому мы вынуждены преобразовывать имеющуюся в нашем распоряжении энергию. Для получения работы мы должны найти соответствующие источники энергии, т. е. такие вещества, которые являются носителями наиболее пригодного для реализации вида энергии.

Следует отметить, что живые организмы (в том числе человек) сами являются носителями значительных запасов энергии. Живые организмы содержат относительно большое количество химической энергии. В ходе таких и до сих пор недостаточно изученных химических процессов происходит превращение энергетически богатых сложных веществ живого организма в простые вещества, которое сопровождается выделением энергии. Эти превращения являются источником мускульной работы человека и животных, при помощи которой они поддерживают свои жизненные функции, перемещаются, обеспечивают себе пропитание, а также могут производить необходимые и полезные изменения окружающей среды. Эти "естественные" источники энергии, питаемые химической энергией собственного тела, удовлетворяли человека только на ранней стадии человеческого общества, длившейся, однако, многие тысячелетия. Уже в первобытную эпоху человек поставил себе на службу "внешний" энергетический источник - мускульную силу животных, что позволило ему значительно увеличить объем производимых работ. В дальнейшем в связи с разделением труда одни люди стали претендовать на мускульную силу других. Позднее, еще через многие тысячелетия, человек заставил работать на себя энергию воды, которая приводила в движение мельничные колеса и устройства оросительных систем и ветра, а он вращал крылья мельниц и надувал паруса судов.

Можно считать, что первые сознательные действия для получения энергии человек совершил тогда, когда научился извлекать огонь из сухих растений. Огонь давал человеку тепло/помогал улучшать пищу и отпугивать диких зверей. Однако использовать огонь для получения механической работы наши предки еще не умели. Известно, что уже во 2 веке до нашей эры Герои в Александрии открыл способ превращения тепла с помощью пара в кинетическую энергию вращающегося тела (в сущности, он открыл паровую турбину), но в течение двух тысячелетий никто не пытался использовать это явление для получения работы. Такое пренебрежение к неживым источникам энергии объясняется не только относительно низкими потребностями тогдашнего общества, но и дешевизной рабочей силы, легкостью ее эксплуатации - не было нужды в изобретении сложных орудий для замены этой силы.

Только с развитием капиталистического способа производства потребности в энергии настолько возросли, что не могли уже полностью удовлетворяться за счет эксплуатации существовавших в то время источников энергии. Примерно 200 лет назад был открыт пар как носитель энергии. Во второй половине XVIII века в Англии, в то время наиболее развитой индустриальной стране, была сконструирована паровая машина, которая начала применяться в широких масштабах и обеспечила невероятно высокий, невиданный до тех пор темп промышленного развития. Поэтому XIX век, а также начало XX, по праву считают веком пара. На исходе прошлого столетия у паровой машины появились конкуренты - двигатели внутреннего сгорания (бензиновые и дизельные). Преимущества двигателей внутреннего сгорания особенно велики для машин малой и средней мощности; для очень больших мощностей все же выгоднее паровал машина.

Уже в конце XIX века наряду с паром получила распространение электрическая энергия, а в первые десятилетия XX она заняла ведущее место. Мы можем с полным правом сказать, что живем в век электричества. Правда, большую часть электрической энергии еще и сегодня получают с помощью паровых машин, но производство ее сосредоточено преимущественно на огромных тепловых электростанциях. Мощные паровые турбины электростанций гораздо рентабельнее малых паровых машин. Электрические моторы и двигатели внутреннего сгорания все больше вытесняют паровую машину как силовую установку. Электромоторы имеют высокий КПД, работают без отходов и бесшумно, электроэнергия может передаваться по проводам на многие тысячи километров от источника.

Наряду с тепловыми электростанциями растет значение гидроэлектростанций, где. генераторы электрического тока приводятся в движение не паровыми, а гидротурбинами. Однако при строительстве современных гидроэлектростанций необходимо сооружать водяные плотины и производить другие дополнительные работы, и в большинстве своем они требуют больших капиталовложений, чем тепловые электростанции.Все же производство электроэнергии на гидростанциях обходится дешевле бла-, годаря использованию энергии воды, поставляемой самой природой, но распространение их ограничено в связи с тем, что экономичны они только там, где достаточно воды и благоприятен рельеф местности. Топливо же для котлов тепловых электростанций(уголь, нефть или газ) необходимо добывать из недр Земли весьма трудоемким путем и доставлять к месту потребления.

Энергетические источники будущего

Наряду с тепловыми электростанциями, использующими химическую энергию, источниками которой являются уголь, нефть и газ, начинает завоевывать признание атомная энергия, носителем которой в настоящее время практически прежде всего является уран. Первая атомная электростанция, давшая промышленный ток, была построена в 1954 г. в СССР, а в 1959 г. со стапелей был спущен атомоход "Ленин". С тех пор построено много более мощных атомных электростанций. Запасы урана достаточно велики, он дешев для транспортировки, отдаленность мест его добычи не имеет экономического значения, Если в будущем удастся осуществить управляемую термоядерную реакцию, т.е. синтез ядер гелия из водорода, то топливо (водород, получаемый из воды) для производства электроэнергии мы будем иметь практически в неограниченном количестве.

В настоящее время электроэнергия в большинстве случаев получается с помощью механических устройств, отдельные части которых движутся со значительным трением. На электростанциях химическая энергия превращается в тепло путем окисления топлива, а атомная в ядерных реакторах - в результате ядерных превращений. Полученный при помощи этого тепла пар приводит в движение турбины генераторов тока. Это в общем не выгодно, и не только потому, что значительное количество энергии из-за трения частей машин превращается в тепло (при этом часть полезной мощности пропадает), но главным образом вследствие того,, что тепло, являющееся здесь промежуточным продуктом превращения энергии, может переходить в другие, нужные виды энергии лишь с очень низким коэффициентом полезного действия. Поэтому целесообразнее превращать энергию, заключенную в энергоносителях, в электрическую, минуя стадию тепла, поскольку электрическая энергий может быть принципиально полностью, а практически с хорошим КПД переведена в работу. Здесь открываются большие возможности, практическое осуществление которых - задача ближайшего будущего.

Одна из этих возможностей заключается в том, что в некоторых химических соединениях под воздействием света может возникать до некоторой степени направленное движение электронов, т.е. начинает течь ток. Это так называемый фотоэлектрический эффект, который используется в фотоэлементах. Здесь можно говорить о превращении световой энергии в электрическую без выделения сколько-нибудь значительного количества тепла. Принципиально световое излучение Солнца можно таким образом превращать в электрическую энергию без потерь. На практике из-за технического несовершенства фотоэлементы работают пока с КПД, не превышающим 10-12 %, следовательно, превращают в электрическую энергию только 10-12 % падающего на них излучения. На пути широкого внедрения фотоэлементов в технику имеются и другие препятствия, однако в особых условиях (например в приборах, установленных в отдаленных пунктах, на космических кораблях и т.д.) они незаменимы.

В гальванических элементах возможно почти полное превращение химической энергии в электрическую, минуя стадию тепла.

На обычных электростанциях потери полезной работы возникают не только в связи с тем, что при превращении энергии она вначале переходит в тепло, но также из-за трения и износа твердых частей машины. Поэтому предпочтительнее такие машины, которые не имеют твердых движущихся частей. Теоретически, а в какой-то мере и практически такое устройство можно выполнить при помощи термоэлементов, состоящих из двух различных спаянных между собой металлов или полупроводников, где тепло непосредственно превращается в электрический ток.

Магнитогидродинамические генераторы также не содержат твердых движущихся частей, электрический ток возникает здесь в сильно нагретом ионизированном газе, пропущенном через магнитное поле. Однако эти установки вследствие их технического несовершенства пока еще не могут обеспечить производство электроэнергии в широких масштабах.