Органическое топливо

Из всех энергетических потребностей человека около 3% удовлетворяется за счет органического топлива. В органическом топливе запасена химическая энергия, которая образовалась в процессе различных преобразований, происходящих на Земле миллионы лет назад. Преобразование органического топлива путем его сжигания происходит в различных устройствах: в очагах, топках, камерах сгорания. Образовавшаяся в процессе химической реакции окисления тепловая энергия может использоваться как напрямую или, как правило, в виде других теплоносителей.

В большинстве случаев органическое топливо, извлеченное из месторождения, нуждается в небольшой переработке.

Температурный уровень при сжигании топлива можно варьировать в очень широких диапазонах. Легкой регулировке поддается тепловая мощность.

Общей чертой органического топлива является их низкая концентрация энергии по сравнению с другими. Количество энергии, которое выделяется при сжигании 1 кг топлива, называется удельной теплотой сгорания.

Торф 6-9 МДж/кг

Б.уголь 8-16

К. уголь 14-30

Горюч.сланцы 5-13

Нефть 40-42

Горюч.газ 32-60 кДж/м³

Как правило, месторождение топлива располагается вдалеке от промышленных центров, поэтому встает проблема транспортировки.

Атомная энергия

Для производства атомной энергии используется ядерное горючее – изотоп урана 235, который в природе встречается в урановой руде в очень малом количестве – 0,7%, а остальное составляет изотоп урана 238. Поэтому перед сжиганием ядерного горючего урановая руда проходит обогащение на обогатительных фабриках и концентрация урана 235 поднимается до 2-3%.

Для превращения ядерной энергии в тепло используются ядерные реакторы. В реакторе атомы урана 235 бомбардируются нейтронами. В результате бомбардировки атомы расщепляются, образуя 2-3 свободных нейтрона, которые бомбардируют другие атомы, в результате происходит “цепная реакция” делений атомов урана. Если этой реакцией не управлять, то “цепная реакция” происходит мгновенно и называется ядерным взрывом. 1г урана распадаясь даст 23,5 МВтч тепла, равного 8300МДж. Это в 2 млн. раз больше, чем получается при сжигании 1г нефти.

С учетом неизбежных потерь и пересчетом на природный уран, эффективность тепловыделения получается больше в несколько сотен раз, чем нефти. Высокая концентрация энергии в единице ядерного топлива является его большим достоинством. Благодаря этому нет необходимости строить атомные станции вблизи месторождений.

Количество ядерного горючего, находящегося в активной зоне реактора , должно быть не меньше некоторой величины, называемой критической массой, зависящая от степени обогащения урана и некоторых конструктивных особенностей реактора. Большие затраты требуются также на утилизацию ядерных отходов.

Ядерная (атомная) станция наиболее эффективна, когда единичная мощность блоков высокая, например 1 млн. кВт. У нас в стране используется 2 типа ядерных реакторов: РБМК-1000 и ВВЭР-1000.РБМК – реактор большой мощности канальный. ВВЭР – водоводяной энергетический реактор. Если ограничиться на станциях только запасом урана 235, то запас этого топлива эквивалентен запасам органического топлива.

Термоядерная энергия.

Огромное количество энергии получается при термоядерной реакции синтеза ядер гелия из ядер дейтерия и трития – это изотопы водорода, имеющих массу 2 и 3. Чтобы осуществить реакцию синтеза, надо заставить ядра дейтерия и трития сталкиваться с огромными скоростями, которые достигаются при нагревании газов до температуры 100 млн К.

Д + Д → ³Не + n + 3,2 МэВ

Д + Д → Т + р + 4,0 МэВ

Реализация данных Реализация данных реакций требует высоких температур.

Д + Т → ⁴Не + n + 17,6 МэВ

Проблема - дейтерий и тритий находятся в океане. Трития слишком мало по сравнению с дейтерием, его в 10¹⁸ меньше, чем водорода.

Геотермальная энергия.

За счет естественного распада радиоактивных элементов в недрах Земли поддерживается высокая температура. В среднем при углублении на 33м температура повышается на 1°С. В средах с вулканической активностью рост температуры более значителен. Современная техника позволяет бурить скважины до 15 км, там температура 700 К. Стоимость таких скважин очень велика, а при транспортировке тепла будут иметь место значительные потери. Однако есть места на земной поверхности, где тепло близко подходит(на Камчатке на 3,5км температатура 600К). От горячих слоев земной коры происходит нагрев воды, которую человек использует для своих нужд .Такая перегретая вода находится под давлением 5-6 МПа. При снижении давления такая вода частично превращается в пар. В Н. Зеландии на базе этого вырабатывается окло 40% всей производимой энергии, в Италии 6%. Во многих случаях воды имеют недостаточную температуру для использования на электростанциях, однако с успехом применяется для обогрева жилищ и теплиц.

В процессе многолетних наблюдений выяснили, что Земля остывает, поэтому мы можем считать,что геотермальная энергия невозобновляемая.

Солнечная энергия.

Количество энергии, непрерывно излучаемой Солнцем, составляет громадную величину: 3,5*10³⁰ кВтч/год. Поверхности Земли достигает значительно меньше: 10¹⁸ – это в 10 тысяч раз больше количества энергии, которое содержится во всех видах топлива, добываемого на Земле. Своим происхождением энергия Солнца обязана термоядерной реакции. С практической точки зрения, Солнце является неиссекаемым источником энергии. Рассосредоточенность энергии по поверхности Земли ослажняет ее использование. Существует 3 основных пути использования солнечной энергии:

1. Создание различных нагревательных теплоустановок, использующих тепловую энергию, полученную от Солнца. Концентрируя солнечную энергию с помощью зеркал, удается повысить температуру до 4000°С. Такие устройства не нашли широкого применения из-за их высокой стоимости и зависимости от погоды.

2. Прямое преобразование лучистой энергии Солнца в электрическую применяется на космических аппаратах и мало эффективно из-за атмосферы.

3. Фотосинтез – посредством которого зеленые растения улавливают солнечные лучи, превращая их в химическую энергию органических веществ. Несмотря на преимущество солнечной энергии над другими видами, в ближайшее время не приходится ожидать этого вида энергии в общем балансе. Значительный рост наблюдается только в районах с большим солнечным потоком и с большим количеством солнечных дней в году.

Ветровая энергия.

Движение воздушных масс Земли (ветер) возникает из-зи неравномерного прогрева солнцем. На движение воздушных потоков оказывает влияние движение Земли. Общая энергия ветра в 2,5-3 раза превышает количество энергии, расходуемое человеком в год. Однако реально может быть использовано около 5% энергии ветра. Сегодня на долю ветровой энергии приходится 0,1%. Имеются и реализованы проекты ветровых эл.станций мощностью 150 МВт.

Гидроэнергия.

Энергия рек.

Движение воды рек есть одно из проявлений круговорота воды в природе.Разность уровней обусловливает потенциальную энергию рек. Однако не везде эта энергия доступна для использования. По оценкам реально может использоваться 4-я часть гидропотенциала. Но и это в 2 раза превышает потребление энергии человеком. Практически доля энергии, вырабатываемой на ГЭС для большинства стран составляет 10-20%. Особенности гидроэнергии – жесткая привязка к географии рек.

Полезно может использоваться энергия морских приливов. Под действием притяжения Луны уровень воды в океанах и открытых морях периодически меняется. Из-за высокой стоимости строительства приливных эл.станций и проблем с эксплуатацией данный вид станций не нашел широкого применения.