Меньшиков П.Д., Энергетика будущего, альтернативные источники энергии

Проект «Будущие лидеры технологий XXII века»

____________________________________ 

Текст лекции на тему «Энергетика будущего, альтернативные источники энергии»

Меньшиков Павел Дмитриевич
инженер-исследователь
филиала "МЭИ" в г. Волжском

Вступление.

Данная лекция проводится в рамках проекта «Будущие лидеры технологий ХХII века», который реализуется при поддержке Фонда президентских грантов на территории Волгоградской области. Для учащихся 9-11 классов проводятся лекции с углубленной информацией по отдельным технологиям также объявлен творческий конкурс письменных работ на тему «Новые технологии и жизнь». Для тех, кто захочет написать письменную работу, будут организованы консультации о методике подготовки работы и ее оформлению. Все участники конкурса получат сертификаты об участии, а победители ценные призы от организаторов проекта. Авторы лучших работ будут приглашены в Волгоград для участия в итоговой конференции. Всю информацию о мероприятиях проекта можно найти на сайте Волгоградского центра международного гуманитарного сотрудничества по адресу www.ihc-vog.ru/

Какая она, Энергетика будущего? Что мы понимаем под альтернативными источниками энергии.

- основные понятия (определения)

Для начала стоит сказать, что энергия разделяется на Первичную и Вторичную.

Первичная энергия - это энергия природных источников, которая может быть преобразована в электрическую, тепловую или механическую. К ней относятся энергия солнца, ветра, нефть, уголь, ядерное топливо и т.п.

В свою очередь мы разделяем эти источники энергии на традиционные или как их еще называют (невозобновляемые) - органическое топливо и ядерное топливо, а также нетрадиционные которые в свою очередь делят на возобновляемые (энергия Солнца, ветра, воды, Земли) и вторичные источники энергии (биогаз, биомасса, твердые отходы).

Органическое топливо рано или поздно закончится. Недостающую часть, возможно, восполнить только за счёт альтернативных источников энергии.

Первый источник энергии о котором мы поговорим это Солнце. Солнечная энергетика или же Гелиоэнергетика, в наше время неплохо развита, мы получаем энергию от солнца и преобразуем ее либо в тепловую нагревая воду или другой теплоноситель и превращая её в пар который впоследствии отправляется на турбину где преобразуется в электричество. Или же используя солнечные панели, получаем электричество. [1]

Современные панели уже научились делать гибкими, их можно внедрять, в одежду или вещи например в рюкзаки. Такие проекты разрабатываются военными США и России, использование такой одежды позволит отряду заряжать приборы ночного видения, рации, и другую аппаратуру в тех случаях, когда нет возможности вернуться на базу, например при выполнении операции глубоко на территории противника. [2]

Некоторые страны, такие как США и Китай активно развивают проекты по выводу солнечных электростанций на орбиту [3], расположение солнечных панелей в космосе имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимущество это обеспечение энергией 24 часа в сутки. Проблемой является транспортировка энергии на землю. Как вариант рассматривается использование микроволнового излучения или лазера для передачи энергии на землю. Однако такой способ «доставки» энергии может служить и военным целям.

Следующий источник энергии это вода. Гидроэнергетика в привычном для многих понимании это ГЭС, на которой вода из водохранилища «падая» вращает турбину, которая вырабатывает электричество. В Китае 18 лет строили Мега-плотину «Три ущелья», она вырабатывает огромное количество электроэнергии, она на 80% снабжает электроэнергией весь Китай [4]. Из-за этой плотины сместились на 2 см полюса Земли, наша планета стала вращаться на 60 наносекунд медленнее.[5] Это связанно с огромным количеством воды которое плотина сдерживает, объем воды составляет 45 триллионов литров воды, сложно даже вообразить такое количество чего-либо.

Дамба затопила археологические и культурные участки, было переселено около 1.3 миллиона человек, появились существенные экологические изменения, увеличился риск оползней. За время строительства «Трех Ущелий» было затоплено 13 городов, 140 поселков и 1300 деревень. 1300 археологических достопримечательности Китая были уничтожены, навсегда исчезнув под водой. Несколько тысяч заводов и заброшенных шахт были затоплены после завершения дамбы. Это может повлечь за собой серьезные последствия из-за попадания в воду отходов.

Однако не все ГЭС построены по одному принципу. Есть также так называемые приливные электростанции, как понятно из названия они работают на энергии создаваемой приливами и отливами. Вода вращает горизонтально расположенную турбину, которая вырабатывает электричество. Сами приливные электростанции также бывают разных видов. [6]

Ещё один вид электростанций это станции поплавкового типа. Они используют энергию волн для преобразования её в электричество. Для так называемой «Утки» Солтера принцип действия прост под действием волн поплавки приходят в движение, а возвращаются в исходное положение под силой собственного веса. В результате такого вращения и вырабатывается электроэнергия. [7]

До недавнего времени считалось, что одним из достоинств гидроэнергетики является отсутствие вредных выбросов в атмосферу, но оказалось, что это не так. ГЭС выбрасывают в атмосферу метан (СН₄), растворенный в воде в результате гниения речной флоры и фауны в придонных областях.

Количество выбрасываемого метана (парниковый эффект которого в 20 раз выше, чем у СО₂) сильно зависит от времени года и особенно от широты расположения ГЭС. Самые большие выбросы дают ГЭС построенные в южных широтах.

Большие ГЭС во всем мире выбрасывают количество СН₄ эквивалентное по парниковому эффекту более, чем 800 млн. т СО₂. Это больше, чем выбросы всей Великобритании.

Некоторые ГЭС выбрасывают парниковых газов больше, чем ТЭС той же мощности.

Атомная энергетика. Думаю многие слышали выражение «Мирный» атом. Атомная энергетика основана на процессе контролируемого распада радиоактивного топлива с выделением энергии. За счет этой энергии нагревается теплоноситель который вращает турбину. Атомные реакторы сложные устройства, требующие особой осторожности в эксплуатации, и повышенных мер безопасности. Если их не соблюдать то может пострадать не только персонал станции, но и люди в городах близких к ней, или же вообще из других стран, как было при аварии на Чернобыльской АЭС, радиоактивный шлейф с которой затронул более 17 стран. И добрался до территории Великобритании. Как мы сейчас знаем авария произошла из за просчета при проектировании реактора, а не ошибки персонала станции. [8]

Из более современных крупных аварий можно привести взрыв на АЭС Фукусима-1 в Японии. Там авария произошла в результате стихийного бедствия. Однако, хоть инженеры уверяли что все в порядке и опасаться нечего, расплавленная масса из активной зоны реактора проплавила псе препятствия которые по задумке инженеров конструкторов должны были предотвратить попадание радиоактивного расплава в почву. [9]

Но несмотря на всю опасность, что представляет «мирный» атом, как при аварии, так и при необходимости утилизации отработанного топлива, он является неотъемлемым источником энергии. Многие космические аппараты используют в качестве источника энергии ядерные батареи. Например, в этом году США отправила на марс марсоход Perseverance, с ядерной батарей на борту.[10] Она работает иначе в отличии от реактора на АЭС. В ней преобразуется тепловая энергия от выделяемая от распада топливного плутония, реакция не контролируется и протекает крайне медленно. Топлива на борту марсохода хватит на 50 лет непрерывной работы.

Также сейчас в стадии постройки находится Термоядерный реактор ITER. При одинаковом количестве топлива термоядерный реактор произведет примерно в четыре раза больше энергии, чем «обычная» атомная электростанция; Функционирование термоядерной электростанции основано на процессе столкновения тяжелых атомов водорода с образованием гелия, при этом высвобождается огромное количество энергии; Термоядерный синтез сравним с естественными процессами, которые происходят в центре звезд – в ITER будет использоваться кольцо плазмы (очень горячего газа), удерживаемое с помощью мощных магнитов; В итоге получаем, что термоядерный реактор использует «легкое топливо» и производит дешевую, чистую и безопасную энергию без ядерных отходов. В 2020 году начался процесс сборки в единое целое ректора, так что скоро мы с вами узнаем, насколько теория совпадает с реальностью.[11]

Помимо мирного применения все мы знаем о военном применении атомной энергии. Это и атомные подводные лодки способные месяцами не подниматься на поверхность, и атомные бомбы и ракеты, которые эти подлодки на себе несут. [12,13]

 Ветроэнергетика. Многие из вас видели ветряки, или представляют себе их как большой пропеллер от самолета или же домашний вентилятор, но не все ветряки имеют такую конструкцию, более того конструкция имеющая лопасти считается мало эффективной. Поэтому ученые неустанно бьются над улучшением и совершенствованием конструкции, постоянно экспериментируя с формой, и принципом действия ветряков. Кто-то придает им форму тарелки [14], кто-то вертикальной трубки. Которые, раскачиваясь на ветру, преобразуют энергию ветра в электричество.[15]

 Энергия шага. Получать электричество, можно даже просто шагая по тротуару. Компания Pavegen, разработала тротуарную плитку, которая преобразовывает кинетическую энергию пешеходов, прошедших по ней, в электричество. [16]

Сама плитка изготавливается из переработанных автомобильных покрышек, Плитка является износостойкой, влагонепроницаемой и рассчитана на длительный срок службы до 5 лет. При нажатии верхняя грань прогибается на 5 миллиметров, и заставляет интегрированный преобразователь генерировать электричество.

 Геотермальные источники энергии.

• Выработка электроэнергии
• Использование для теплоснабжения
• В медицинских целях

Тепло геотермальных источников используют более 78 стран.

Например, в Исландии: Рейкьявик отапливается только за счёт подземных источников (в нём живёт около половины всего населения страны), в Дагестане термальные воды используются для теплоснабжения.

Даже у вас на даче вы можете получать тепло, от земли используя грунтовый тепловой насос. На глубину, на которой температура постоянно остается положительной укладываются змеевики из труб, по которым циркулирует теплоноситель. Его температура может быть невысокой от 5 °C. Однако этого достаточно для подогрева воды или утепления пола в вашем доме.[17]

У больших ГеоТЭС есть и минусы это быстрый износ металла труб и другого оборудования контактирующего с водой из источника. Такая вода содержит в себе почти всю таблицу Менделеева, так ещё и при большой температуре и давлении, что ускоряет процесс коррозии металла. Сбрасывать воду которая уже отдала энергию, на поверхности в реку или куда-либо ещё, категорически нельзя, это приведет к экологической катастрофе. Такая вода должна закачиваться обратно в скважину, или не использоваться в технологическом процессе напрямую. [18]

 Самой современной темой в энергетике сегодня является водород. Уильям Роберт Грове изобретатель топливного элемента работающего  на водороде, в середине 19 века открыл, что если подключить две платиновых пластины к электрической цепи, одну обдувать водородом, а другую кислородом, то по цепи потечет электрический ток. Этот процесс является обратным процессу электролиза воды, когда через воду пропускают электрический ток, в результате чего она распадается на кислород и водород. [19] В силу несовершенства технологий, о эффекте открытом Грове на какое-то время забыли. Но в 21 веке технологии шагнули достаточно далеко, и в 2020 году было анонсировано множество проектов по производству так называемого зеленого водорода с помощью возобновляемых источников энергии. Основной проблемой является именно получение водорода. Его можно получать дешевым методом из природного газа, но тогда в атмосферу будут выбрасываться оксиды азота и углерода.

NO_X, СО, СО_2,

При получении водородода путем электролиза воды опять же важно как мы получили это электричество. Если мы сожгли для его получения уголь. То сложно говорить о экологичности. Но если для получения использовалось электричество от возобновляемых источников то уже можно условно говорить о «зелености».

Также к проблемам водородной энергетики, можно отнести громоздкость конструкции, в Санкт-Петербурге запущен трамвай, работающий на водороде, но треть вагона в нем занимает энергетическая установка из топливных элементов, Баллонов с водородом, и другого оборудования.[20]

Так что о повсеместном применении говорить рано. Но в будущем размер установок уменьшится, этому можете поспособствовать и ВЫ.

Волжский филиал НИУ «МЭИ» Проводит обучение бакалавров по программам связанным с современными трендами развития энергетики. Цифровизация, и Возобновляемая энергетика.

13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника

1. Теплоэнергетические системы и цифровые технологии;
2. Цифровые системы управления технологическими процессами;
3. Интеллектуальная распределительная энергетика

13.03.02 Электроэнергетика и электротехника

1. Интеллектуальная возобновляемая энергетика;
2. Цифровые  системы релейной защиты и автоматики;
3. Электроэнергетические системы и цифровые технологии;
4. Гидроэлектростанции и цифровые технологии

Для поступления на бюджетную очную форму обучения необходимо сдать ЕГЭ. По следующим предметам: математика, физика и русский язык.

Стоимость платной образовательной программы бакалавриата очной формы обучения 102 000 р. в год.

 ПОСТУПЛЕНИЕ В ПРЕДУНИВЕРСИТАРИЙ МЭИ

В нашем институте действует Предуниверситарий, чтобы стать учащимся классов Предуниверситария МЭИ, необходимо пройти комплексные вступительные испытания по математике, физике, русскому языку.

Максимальное количество баллов по всем предметам — 100.

Из них 40 – математика, 40 – физика, 20 – русский язык.

Дополнительную информацию можно узнать по телефонам:

+7 961 698-08-09, 21-01-81, 21-01-72 или на сайте.

Список использованных источников:

1. Солнечная энергетика: надежда человечества? https://habr.com/ru/post/158875/
2. Гибкие солнечные панели: характеристики и особенности применения https://zen.yandex.ru/media/solarnews/gibkie-solnechnye-paneli-harakteristiki-i-osobennosti-primeneniia-60068b09a3a08c096f820fff
3. Солнечные электростанции в космосе: испытания новой системы https://zen.yandex.ru/media/solarnews/solnechnye-elektrostancii-v-kosmose-ispytaniia-novoi-sistemy-5ec6367a553f06318dc18b6c
4. Что произошло после постройки плотины? Самое крупное сооружение в мире замедлило вращение земли. Мега-плотина "Три ущелья" https://zen.yandex.kg/media/baustada/chto-proizoshlo-posle-postroiki-plotiny-samoe-krupnoe-soorujenie-v-mire-zamedlilo-vrascenie-zemli-megaplotina-tri-uscelia-5eac5a7471ea41137e3a2dc9
5. Как китайская плотина замедлила вращение Земли https://zen.yandex.ru/media/yznavai_ru/kak-kitaiskaia-plotina-zamedlila-vrascenie-zemli-5bed33a0485f5600ab263cd7
6. Приливные электростанции https://pikabu.ru/story/prilivnyie_yelektrostantsii_6819175
7. Энциклопедия удивительных механизмов. Выпуск 24 (волновая электростанция Pelamis P-750 или "морская змея"). https://zen.yandex.ru/media/stranniky/enciklopediia-udivitelnyh-mehanizmov-vypusk-24-volnovaia-elektrostanciia-pelamis-p750-ili-morskaia-zmeia-5c77c371bb4eb600b38aa4e6
8. Волновая электростанция (ВЭС) https://electric-220.ru/news/volnovaja_ehlektrostancija/2019-03-31-1671
9. Катастрофа на Фукусиме https://zen.yandex.ru/media/id/5e0a1fea0ce57b00ad2db0be/katastrofa-na-fukusime-5e135d2e6f5f6f00ae02a47b
10. Чернобыльская авария. Как это произошло. https://pikabu.ru/story/chernobyilskaya_avariya_kak_yeto_proizoshlo_4597179
11. «Чудо для нашей планеты» началась сборка термоядерного реактора ITER https://zen.yandex.ru/media/id/59f322bc00b3ddc4f9373720/chudo-dlia-nashei-planety--nachalas-sborka-termoiadernogo-reaktora-iter-5f22911a813d2274f0b48270
12. Князь Владимир"- мощь Военно-морского флота https://zen.yandex.ru/media/id/5ea5a68e65a8ef41509bb216/kniaz-vladimir-mosc-voennomorskogo-flota-rossii-5ec45220468c560cdd63c32f
13. Операция «Перекресток» https://pikabu.ru/story/operatsiya_perekryostok_ispyitaniya_atomnogo_oruzhiya_na_atolle_bikini_7802843
14. Безлопастные ветрогенераторы. А нужны ли лопасти вообще? https://zen.yandex.ru/media/alter220/bezlopastnye-vetrogeneratory-a-nujny-li-lopasti-voobsce-5eb45b220b9b23028676853f
15. Безлопастной ветрогенератор. Устройство и принцип работы https://powercoup.by/novyie-tehnologii/bezlopastnoy-vetrogenerator
16. Электрогенерирующая тротуарная плитка Pavegen, https://pikabu.ru/story/yelektrogeneriruyushchaya_trotuarnaya_plitka_pavegen_6607378
17. Геотермальная энергетика: как тепло Земли превратили в эффективный энергоресурс https://habr.com/ru/company/toshibarus/blog/442632/
18. Геотермальная энергетика: ресурсы, плюсы и минусы, есть ли у неё перспективы? https://zen.yandex.ru/media/ecoenergetics/geotermalnaia-energetika-resursy-pliusy-i-minusy-est-li-u-nee-perspektivy-5c84f78e46ebf300b3def504
19. YouTube канал ThoiSoi https://www.youtube.com/watch?v=HhZAKBKbubs
20. YouTube канал Наука 2.0 https://www.youtube.com/watch?v=oGNeDKVLxdY

__________________________________

*Лекция разработана по заказу АНО «Волгоградский центр международного гуманитарного сотрудничества» в рамках проекта «Будущие лидеры технологий XXII века», реализованного с использованием гранта Президента Российской Федерации, предоставленного Фондом президентских грантов. Автор: Меньшиков Павел Дмитриевич, инженер-исследователь филиала "МЭИ" в г. Волжском. г. Волгоград, 2021 г.