Энергетика и энергоресурсы

Прежде чем мы перейдём к изучению новой темы, давайте вспомним, что такое энергия и какие основные виды энергии бывают.

Энергия – это скалярная физическая величина, которая является единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

Существует много классификаций энергии. Согласно одной из них, энергия бывает:

Энергетическая отрасль является одной из самых мощных промышленных отраслей. Производство энергии неразрывно связано с использованием различных природных ресурсов, из которых основными являются ископаемое топливо, радиоактивные элементы и потенциальная энергия воды.

Поговорим о производстве электроэнергии.

Больше всего электроэнергии производят тепловые электростанции (ТЭС).

Работают они на ископаемом органическом углероде. На тепловых электростанциях топливо сжигается в топках паровых котлов, а его химическая энергия превращается в тепловую энергию пара. В качестве топлива могут использоваться уголь, мазут, газ, сланцы.

В паровой турбине энергия пара переходит в механическую, а затем в генераторе превращается в электрическую.

Тепловой коэффициент полезного действия обычной ТЭС составляет от 37 % до 39 %. Это говорит о том, что две трети тепловой энергии в буквальном смысле вылетают в трубу и при этом наносят непоправимый вред обширному региону.

Несмотря на такой низкий тепловой коэффициент полезного действия, тепловые электростанции потребляют огромное количество топлива. Так, государственная районная электростанция высокой мощности, которая вырабатывает только электроэнергию мощностью 1 миллион киловатт, каждые сутки сжигает 17 800 тонн угля.

Но это ещё не всё. Помимо угля такая электростанция сжигает ежесуточно 2500 тонн мазута и большое количество воды. Весь уголь перемалывается в угольную пыль и непрерывно подаётся в топки котлов, в которых постоянно есть вода.

В сутки расходуется 150 тысяч кубов воды, к чистоте которой предъявляют очень высокие требования. Пар, который отработан в паровых турбинах, при охлаждении превращается в воду и опять поступает в котлы. Чтобы охладить пар, каждые сутки расходуется более 7 миллионов кубов воды, что приводит к загрязнению водоёма-охладителя.

Совсем недавно учёные обнаружили, что вокруг тепловой электростанции, которая работает на угле, радиационный фон в 100 раз выше фона естественной радиации. Почему так происходит? Дело в том, что в обычном угле всегда есть микропримеси урана 238, тория 232 и радиоактивный изотоп углерода.

Именно эти радионуклиды вместе с золой и другими продуктами сгорания попадают в атмосферу, почву и водоёмы.

Кроме ТЭС существуют ещё и гидроэлектростанции (ГЭС).

Это наиболее простой способ получения электроэнергии. В таких электростанциях энергию добывают из воды. Энергоноситель, то есть вода, поступает в турбину ГЭС из верхнего бьефа реки и уходит в нижний бьеф. Бьеф – это часть реки, канала, водохранилища или другого водного объекта, примыкающая к плотине или электростанции. Энергия, которая вырабатывается ГЭС, дешевле энергии, которую вырабатывает ТЭС, в среднем в 4 раза. Гидроресурсы всех рек на планете оцениваются в 1000 триллионов киловатт-час. Но практически с помощью ГЭС можно реализовать гидроресурсов в 30 раз меньше. Согласно оценкам специалистов, использование потенциала всех рек планеты позволит энергетике обеспечить человечество электроэнергией не более чем на 25 процентов.

Перед вами таблица, в которой показаны объёмы гидроресурсов, используемых в разных странах.

По данным таблицы видно, что самое большое количество гидроресурсов используется во Франции и Швейцарии – по 90 %, в то время как на Дальнем Востоке России используется только 5 % гидроресурсов.

7 из 25 самых мощных гидроэлектростанций располагаются в странах Содружества Независимых Государств. Самая крупная в России ГЭС – это Саяно-Шушенская.

Её мощность составляет 6,4 миллиона киловатт. В мире она занимает 5 место по мощности.

Братская ГЭС мощностью 4,5 миллиона киловатт занимает в списке крупнейших гидроэлектростанций 13 место.

Самая крупная гидроэлектростанция в мире находится в Китае. Её мощность составляет 22,5 миллиона киловатт.

Все гидроэлектростанции планеты делятся на две группы:

Но вне зависимости от того, где протекает река, необходимо строить плотины, которые будут создавать нужный напор воды и обеспечивать её запас в водохранилищах для равномерной работы ГЭС в течение года.

При строительстве гидроэлектростанций на равнинных реках возникает очень много экологических проблем. Они связаны с тем, что нарушается естественная миграция рыб и их нерестилищ. Затапливаются плодородные пойменные земли и так далее.

В России ярким примером такой проблемы является Волга, которая перегорожена целым каскадом плотин.

С одной стороны, при их строительстве было затоплено множество прекрасных пойменных земель в размере 1,78 сотых миллиона гектар и ноль целых семь десятых миллиона гектар леса. Но с другой стороны, именно благодаря плотинам удалось задержать и аккумулировать в водохранилищах паводковые воды. Стало возможным судоходство по всей Волге, климат региона смягчился, что послужило толчком для развития орошаемого земледелия. До появления на Волге плотин и водохранилищ на территории Среднего и Нижнего Поволжья свирепствовали суховеи, которые называли «чёрная мгла». Ежегодно происходили наводнения, которые уносили две трети годового стока реки. А летом в этом регионе нарушалось водное сообщение и резко уменьшался объём водопотребления.

Общая мощность волжских гидроэлектростанций составляет 11 киловатт. Именно Волга обеспечивает водой население Москвы и приволжских городов. В общей сложности – около 60 миллионов человек.

Теперь давайте поговорим об атомных электростанциях (АЭС).

В реакторе атомной электростанции выделение тепловой энергии происходит за счёт высвобождения энергии связи нейтронов и протонов при делении ядер урана 235.

И это при том условии, что сжигается 1 грамм топлива. А если намного больше? Так, допустим, в случае, если тепловая электростанция мощностью один миллион киловатт за три года сжигает 250 000 вагонов угля, то атомная электростанция такой же мощности за этот срок сжигает всего 2 вагона ядерного топлива.

Если установка ГЭС требует наличия рек, то установка атомной электростанции возможна в любом месте, где имеется достаточно воды для охлаждения реактора, где нет серьёзной сейсмической опасности, осаждения грунта и угрозы разрушения здания АЭС в результате каких-либо внешних причин.

В среднем, атомная электростанция, мощность которой составляет 1 миллион киловатт в год, производит не более двух кубических метров радиоактивных отходов.

Самая большая проблема, которая возникает при строительстве атомных электростанций – это захоронение ядерных отходов.

Дадим определение.

Захоронение отходов – это помещение отходов под землю, в заброшенные угольные шахты, соляные копи, специально подготовленные подземные полости, в глубочайшие впадины морского дна без возможности обратного извлечения; сброс отходов в океаны и моря в специальных контейнерах, а иногда даже без них.

Проблема заключается в том, что с течением времени контейнеры, в которых хранятся отходы, ржавеют, или разрушаются в результате землетрясений, и тогда ядовитые вещества опять попадают в окружающую среду. На сегодняшний момент ещё не разработаны абсолютно безопасные методы захоронения отходов.

В России самым популярным методом захоронения является метод кальцинации. Отходы остекловывают в специальной вращающейся печке – кальцинаторе. Газы, которые при этом образуются, проходят специальную очистку.

Кроме проблемы захоронения отходов, возникает вопрос о том, что делать с реакторами, которые выработали свой ресурс.

Также использование атомных электростанций представляет угрозу для человека и окружающей среды. Все вы знаете об аварии на Чернобыльской атомной станции, в результате которой пострадали сотни тысяч людей, проживающих не только рядом с Чернобылем, но и далеко за его пределами. Данные события привели к образованию радиоактивных пятен – мест выпадения радиоактивного дождя. Такой дождь выпал на территории Беларуси, России, Австрии, Германии, Италии, Румынии, Польши, Швеции и Финляндии.

Посмотрите, как далеко эти страны находятся от Чернобыля, однако все они пострадали от аварии.

События, произошедшие на Чернобыльской АЭС, показали, что потери при аварии на ядерном энергетическом реакторе в несколько раз превышают потери от аварий на энергетической установке такой же мощности, которая работает на ископаемом топливе. При работе реакторов атомных электростанций в окружающую среду выделяется около 250 различных радиоактивных изотопов, что может привести к тяжёлым последствиям в виде раковых заболеваний, врождённых дефектов, ослабленного иммунитета у населения, проживающего рядом с реакторами. Именно для того, чтобы влияние такого плана на людей было минимальным, большое внимание при строительстве и эксплуатации атомных электростанций уделяется очистке выбросов и отходов.

Для того, чтобы принять решение о строительстве атомной электростанции, руководство стран должно учитывать очень много факторов. Перечислим только некоторые из них:

·     Потребность региона в электроэнергии.

·     Природные условия.

·     Наличие достаточного количества воды.

·     Плотность населения.

·     Вероятность возникновения землетрясений.

·     Характеристика верхних и нижних слоёв грунта и так далее.

В настоящее время идёт поиск альтернативных источников энергии. О них мы поговорим на следующих уроках.

Подведём итоги.

Сегодня мы с вами говорили об энергетике. Познакомились с принципами работы тепловых электростанций, гидроэлектростанций и атомных электростанций. Рассмотрели достоинства и недостатки эксплуатации каждого вида электростанции.