Проблемы энергетики: Основные проблемы энергетики и возможные способы их решения

Проблемы и перспективы развития электроэнергетики в современных условиях



Ключевые слова: электроэнергетика, энергетическая отрасль, возобновляемые и невозобновляемые источники энергии, альтернативные способы производства энергии, гидроэлектростанции, атомные электростанции, тепловые электростанции

Актуальность работы.

Энергетика из всех отраслей деятельности человека оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Мы не можем и дня прожить без использования электроэнергии, и потребности в энергии растут с каждым днем. Наша цивилизация очень динамичная, и любые изменения, происходящие в нашей жизни, в первую очередь требуют энергозатрат.

Однако, при существующих формах национальных экономик, могут возникнуть серьезные энергетические проблемы. Такие проблемы развития энергетического комплекса являются очень актуальными на сегодня.

Под электроэнергетикой понимается такая наиболее важная отрасль энергетики, которая состоит из производства, передачи и сбыта электроэнергии. Электроэнергия имеет неоспоримые преимущества перед другими видами энергии и передается на большие расстояния с относительной легкостью.

В отрасль электроэнергетики входит группа производств, включающие добычу, транспортировку топлива, выработку энергии и передачу ее потребителю.

Для получения электроэнергии можно использовать топливные ресурсы, ядерную энергию, гидроресурсы, альтернативные виды энергии.

Рассмотрим сырьевую проблему электроэнергетики в современных условиях.

Так, сырье для производства электроэнергии представлено:

– минеральными ресурсами;

– топливными полезными ископаемыми;

– рудными полезными ископаемыми;

– нерудными полезными ископаемыми.

Однако при современных темпах энергопотребления ресурсов хватит максимум на сто лет, причем они практически невосполнимы, что становится реальной проблемой для человечества.

Еще одной проблемой в сфере электроэнергетики является энергетическая проблема.

Можно выделить следующие источники энергии:

– горючие минеральные ископаемые;

– горючие органические ископаемые;

– нетрадиционные виды энергии;

– атомная энергия.

Так как на современном этапе топливные ресурсы Земли дорожают, то характеристика энергетической и экономической независимости государства представлена проблемой возобновляемости источников энергии.

Рассмотрим преимущества и недостатки каждого вида получения электроэнергии.

Так, тепловые электростанции очень дешевые в строительстве и обслуживании, непрерывно работают и повсеместно расположены. Однако, топливные ресурсы Земли не бесконечны, их хватит максимум на сто лет, загрязняют атмосферу вредными выбросами, создают парниковый эффект.

Преимущества гидроэлектростанций заключается в низкой себестоимости электроэнергии, отсутствии вредных выбросов в атмосферу. Но, недостатки гидроэлектростанций заключаются в том, что их строительство возможно только на территории водных бассейнов, их строительство довольно трудоемкое и дорогое, а плотины, построенные для ГЭС, наносят ущерб водной экосистеме [1].

Атомные электростанции обладают огромным электропотенциалом и рентабельностью, а также не загрязняют атмосферу продуктами сгорания. Но существует актуальная проблема, заключающаяся в безопасности атомных электростанций, то есть в случае аварии возникает опасность радиоактивного заражения.

Помимо основных источников энергии существует нетрадиционная энергетика. К ней относят:

– солнечную энергетику;

– ветроэнергетику;

– термоядерную энергетику;

– биотопливо;

– геотермальную энергетику;

– энергию волн, приливов, отливов [2].

Солнечная энергетика подразумевает использование энергии солнца. Она является общедоступной, неисчерпаемой и абсолютно безопасной, но при этом, она зависима от климата и времени суток.

Ветроэнергетика основана на использовании энергии ветра, также как и солнечная энергия — является возобновляемым видом энергии, но зависима от климата и погодных условий.

Термоядерная энергетика является слабоизученной и неразвитой, однако, примером природного термоядерного реактора является Солнце, что позволяет говорить о высокой эффективности данного вида энергетики.

Для получения биотоплива перерабатываются стебли сахарного тростника или семена кукурузы, сои или рапса.

Геотермальная энергия представляет собой энергию вулканов в виде воды и пара. Преимущество заключается в том, что при ее использовании, снижается влияние на окружающую среду.

Энергия волн, приливов и отливов использует энергию океана. Так, в Японии используется данный вид энергии для того, чтобы обеспечить океанский транспорт.

Таким образом, существует множество альтернативных источников энергии, но основной их недостаток заключается в низком КПД, что позволяет говорить об ограниченности данных видов энергии [3].

Однако, с учетом того, что топливные ресурсы не бесконечные, гидроэлектростанции невозможно строить повсеместно, а атомная энергетика довольно опасна, то необходимо обратить более пристальное внимание именно на нетрадиционные виды электроэнергетики. Конечно при практическом освоении этих возможных источников потребуется несколько десятков лет из-за высокой капиталоёмкости и соответствующей инерционности в реализации проектов. Но возможно в будущем, мы сможем «воспроизводимые», экологически чистые ресурсы энергетики, что позволит сохранить нам окружающую среду.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Энергетическая отрасль на сегодня находится в кризисе. Основная часть производственных фондов устарела и требует замены в ближайшие десятилетия. Вырабатывание мощностей намного превышает ввод новых. В связи с этим может возникнуть катастрофическая нехватка электроэнергии.
2. Мы предлагаем следующее решение этой проблемы: акционирование энергетической отрасли, привлечение инвестиций в эту отрасль, внедрять программы со стороны государства по снижению энергоемкости производства. На сегодняшний день нужно научиться правильно и целесообразно использовать ресурсы уже имеющихся предприятий в этой отрасли.
3. Со стороны государства должны проводиться мероприятия по следующим направлениям:

– разработать меры по снижению издержек энергетических компаний;

– разработать меры по снижению потерь при производстве, передаче и распределении электроэнергии;

– разработать инвестиционную политику, которая будет подразумевать разделение отрасли на естественно-монопольные и конкурентные.

Все это позволит повысить инвестиционную привлекательность энергетических компаний, что повысит рост оборотов не только самой электроэнергетики, но и отраслей, связанных с производством энергетического оборудования, а также стабилизирует цены на электроэнергию.

Литература:

1. Лукутин Б. В., Суржикова О. А., Шандарова Е. Б. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении. -М.: Энергоатомиздат, 2008. — 231 с.
2. Безруких П. П. Роль возобновляемой энергетики в энергосбережении в мире и России // Электрика. — 2004. — № 4. — С. 3–5.
3. Ушаков В. Я. Возобновляемая и альтернативная энергетика: ресурсосбережение и защита окружающей среды. — Томск: Изд-во «СибГрафикс», 2011. — 137 с.

Основные термины (генерируются автоматически): энергетическая отрасль, вид энергии, ископаемое, источник энергии, окружающая среда, солнечная энергетика, сторона государства, термоядерная энергетика, топливный ресурс Земли, электростанция, энергия волн.

Глобальная энергетическая проблема и перспективы энергетической безопасности России

Раскрыты основные причины глобальной энергетической проблемы. Рассмотрена зависимость энергетической безопасности России от добываемых углеводородов, обозначены угрозы и перспективы энергетического сектора страны.

Ключевые слова: глобальные проблемы человечества, глобальная энергетическая проблема, энергетика, энергетический фактор, энергетическая безопасность, экономика, нефть, газ.

В ХХI веке человечество особо остро ощущает необходимость решения глобальных проблем, которые охватывают многие стороны жизнедеятельности и касаются всех стран без исключения. Все глобальные проблемы тесно переплетены друг с другом, поэтому не представляется возможным решить каждую из них в отдельности усилиями только некоторых стран. Глобальных проблем достаточно много, выделим наиболее значимые из них на данном этапе развития человечества:

1. 
                  экологическая проблема;
2. 
                  энергетическая проблема;
3. 
                  сырьевая проблема;
4. 
                  продовольственная проблема;
5. 
                  демографическая проблема;
6. 
                  проблема войны и мира;
7. 
                  проблема использования ресурсов Мирового океана;
8. 
                  проблема мирного освоения космоса.

Одна из наиболее актуальных на сегодня глобальных проблем ‒ энергетическая. Свою актуальность данная проблема подтвердила ещё в середине 70-х годов прошлого столетия во время нефтяного кризиса. Выделим некоторые из наиболее значимых причин появления глобальной энергетической проблемы: неравномерность залегания минеральных ресурсов на территории земного шара; неравномерность и рост их потребления различными государствами; неполная выработка ресурсов первичного сырья; отсутствие и малоэффективная вторичная переработка минеральных ресурсов. Ко всем перечисленным причинам можно добавить ещё одну, находящуюся в области экономической политики. Речь идет о глобальной конкуренцииза топливно-энергетические ресурсы, за их раздел и передел между гигантскими топливными корпорациями.

Каковы же основные пути решения глобальной энергетической проблемы? Ответ на этот вопрос не имеет одного конкретного и четко выраженного решения. Он предполагает комплекс социально-экономических, технико-технологических мер и требует тесного международного сотрудничества.

Энергетический кризис 70-х гг. ускорил развитие и внедрение энергосберегающих технологий, под его воздействием наиболее развитые страны провели масштабную структурную перестройку экономики в направлении снижения доли энергоемких производств. Эти меры позволили в значительной степени смягчить последствия энергетического кризиса. На современном этапе и еще на долгие годы вперед решение глобальной энергетической проблемы будет зависеть от степени снижения энергоемкости экономики, т. е. от расхода энергии на единицу произведенного ВВП. Снижение удельной энергоемкости экономики является центральной задачей энергетической политики России, без решения которой энергетический сектор неизбежно будет сдерживать социально-экономическое развитие страны. Решение указанной задачи требует рациональной перестройки структуры российской экономики.

Наряду с ожидаемыми структурными изменениями в экономике также предусматривается интенсивнаяреализация организационных и технологических мер по экономии топлива и энергии, то есть проведение целенаправленной энергосберегающей политики. Результатом структурных преобразований в экономике и проведения энергосберегающей политики должно стать существенное снижение к 2030 г. энергоемкости российской экономики.

Энергетический фактор в мировой политике играет одну из ключевых ролей наряду с военным, политическим или экономическим факторами. Россия занимает одно из лидирующих мест в мировой системе оборота энергоресурсов, активно участвует в мировой торговле ими. Особенно значимы позиции страны на мировом рынке углеводородов. В последние годы Россия занимает лидирующие позиции по объему добычи сырой нефти. Более 80 % объема российской нефти экспортируется в страны Европы, что составляет около трети всего объема европейского рынка. Основным направлением экспорта российских нефтепродуктов также является европейский рынок. Россия занимает первое место в мире по запасам природного газа (23 % мировых запасов) и по объемам его ежегодной добычи, обеспечивая около четверти объема мировой торговли этим энергоносителем, доминируя на европейском газовом рынке.

В июле-августе 2015 года показатели добывающего сектора находились в положительной зоне: в августе прирост добычи полезных ископаемых в годовом выражении составил 0,7 %, в том числе добычи топливно-энергетических полезных ископаемых ‒ 0,4 %. Характерным для топливно-энергетического комплекса в нынешнем году стал опережающий рост поставок сырой нефти на внешние рынки по сравнению с ее объемами, перерабатываемыми на внутреннем рынке. Добыча нефти за январь-август 2015 года увеличилась относительно того же периода 2014 года на 1,4 %, ее экспорт увеличился на 7,3 %, а переработка сырой нефти составила 98,4 % от соответствующего показателя 2014 года. Следует заметить, что в 2014 году ситуация на мировом нефтяном рынке кардинально изменилась. Средняя цена за 1 баррель нефти в 2014 году составляла $100–110, сейчас, в 2015 году, средняя цена за 1 баррель нефти составляет $40–50. В России, как и во многих других странах, зависящих от нефтяного рынка, наблюдаются значительные колебания валютных курсов. Падающая добыча газа (95,6 % от показателя января-августа 2014 г.) была обусловлена как снижением его поставок на внешние рынки (93,0 %), так и сокращением внутреннего спроса на него (96,4 %).

Энергетика является базовой инфраструктурной отраслью Российской Федерации. В нашей стране большое значение уделяется энергетической безопасности, высокий уровень которой обеспечивает экономическую и национальную безопасность в целом. Российский энергетический сектор оказывает огромное влияние на социальную обстановку в стране, поскольку уровень энергетического комфорта и степень доступности энергетических ресурсов во многом определяют и будут определять качество жизни российских граждан.

В связи с проводимой сегодня внешней политикой российский нефтегазовый сектор попал под жесткие ограничения со стороны США и Евросоюза, что вынудило произвести поворот своих экспортных поставок в сторону восточных стран и сократить поставки сырья в страны запада. Для России открылись новые перспективы роста рынка сбыта Азиатско-Тихоокеанского региона. В настоящее время Россия более тесно сотрудничает со многими странами Дальнего Востока в сфере энергетики. Основным партнером в этом направлении стал Китай, также достаточно активно наши интересы поддерживает Япония. Поворот в энергетической сфере в сторону восточных стран снизит зависимость от европейского рынка сбыта углеводородов и повысит экономическую безопасность нашей страны.

На сегодняшний день существуют различные точки зрения на долгосрочные перспективы развития мировой нефтедобывающей отрасли. Некоторые специалисты предполагают, что нефть утратит свои позиции в первой половине XXI века. Доказанные мировые геологические запасы газа и угля значительно превосходят нефтяные запасы. Однако особенности использования угля с точки зрения существующих глобальных экологических проблем существенно уменьшают область его применения. Поэтому сегодня преобладает мнение, что ещё не один десяток лет нефть будет иметь наибольшее значение среди углеводородных энергоносителей.

Глобальная энергетическая проблема ‒ это проблема обеспечения человечества топливом и энергией. В настоящее время, наиболее развитые страны мира нацелены на достижение максимально возможной энергетической независимости, у менее развитых стран наблюдается усиление энергетической зависимости. Возрастающий спрос требует перераспределения существующих энергетических поставок, увеличения производства энергии и развития альтернативных источников энергии.

К альтернативным источникам энергии относятся: энергия солнца, ветра, воды, термоядерного синтеза и др. Солнце является практически неисчерпаемым источником тепловой энергии. Использование солнечной энергии является наиболее дешевым и простым путем решения некоторых энергетических проблем. В некоторых странах, используя энергию Солнца, частично решается проблема обеспечения жилых домов тепловой энергией и горячим водоснабжением. Преобразование солнечной энергии в электрическую, где требуется небольшое количество последней, нашло своё применение в калькуляторах, телефонах и т. д. Широко ведутся работы по использованию энергии ветра в Канаде, Швеции, Германии и других странах. Кроме неисчерпаемости ресурса и высокой экологичности производства, к достоинствам ветровых турбин относится относительно невысокая стоимость получаемой на них энергии (примерно в 2–3 раза ниже, чем на ТЭС и АЭС). В настоящее время имеются турбины, позволяющие получать энергию, используя естественное течение рек, без строительства плотин. Такие турбины легко монтируются на реках и при необходимости перемещаются в другие места. Стоит заметить, что стоимость энергии, получаемой на таких установках, заметно выше, чем на крупных ГЭС, ТЭС или АЭС, но достаточно высокая экологичность заставляет задуматься о более широком применении таких установок в связи с тяжелой экологической ситуацией на нашей планете.

Для России, находящейся в зависимости от энергетического фактора, вопрос энергетической безопасности особенно актуален, поскольку запасы нефти, газа и угля не бесконечны. Руководство страны начинает приходить к пониманию необходимости думать об энергетике, экологии и экономике как о едином механизме эффективной работы любого производства. Поэтому для устойчивого развития необходимо сокращение расходов, полученной из невозобновляемых природных источников, увеличение потребления энергии из возобновляемых источников. Энергетические и экологические проблемы заставляют человечество задуматься о возобновляемых источниках энергии. Аспектами, привлекающими внимание к возобновляемым источникам энергии, являются охрана окружающей среды и забота о здоровье человека.

Одним из крупных проектов в области энергетики, реализованным в последние месяцы, стало открытие и запуск 10 декабря 2015 года четвертого энергоблока Белоярской АЭС с реактором БН-800 на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем — натрием, что существенно расширяет топливную базу атомной энергетики. БН-800 способен воспроизводить компоненты топлива сводя к минимуму объём радиоактивных отходов. Это значительным образом позволяет приблизиться к замкнутому топливному циклу. С такими возможностями нового реактора вырисовывается перспектива, связанная с переработкой отработанных радиоактивных отходов путем вовлечения их в полезный производственный цикл. Подобными технологиями обладают лишь единицы стран, и Россия, по признанию многих экспертов, ‒ мировой лидер в этой области. Обратим внимание, что отличительной особенностью данного реактора от других типов реакторов является то, что его запуск осуществляется в несколько этапов и растягивается на несколько лет с постепенным повышением его мощности. В связи с этим нельзя не упомянуть, что данный реактор является самым крупным реактором на быстрых нейтронах в мире. В ближайшее десятилетие мы вправе ожидать ощутимого экономического эффекта, когда реактор будет функционировать на 100 % своей мощности. На основе опыта работы реактора БН-800 планируется создание ещё более мощного реактора ‒ БН-1200, который будет предназначен для серийного распространения на АЭС.

Россия сделала важнейший шаг в плане перехода нашей атомной энергетики к новой технологической платформе, что значительно расширяет её потенциал. Но ещё более значимым является тот факт, что с запуском нового реактора БН-800 наша страна вносит существенный вклад в решение таких глобальных проблем человечества как энергетическая, экологическая, сырьевая. Глядя на такие достижения, хочется пожелать ещё большего успеха отечественным специалистам в реализации подобного рода проектов и ещё большей поддержке со стороны государства.

Литература:

1.                  Энергетическая стратегия России на период до 2030 года // Прил. к обществ.-дел. журналу «Энергетическая политика» — М.: — ГУ Институт энергетической стратегии, 2010. — 184 с.

2.                  Экономическое развитие России. Том 22. № 10. Октябрь-ноябрь 2015.

РАЗМЫШЛЕНИЯ О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ ЭНЕРГЕТИКИ

Лауреат премии «Глобальная энергия» почетный директор Института высоких температур РАН академик А. Е. Шейндлин прочитал эту лекцию на церемонии вручения премии.

Академик А. Е. Шейндлин выступает с лекцией «Размышления о некоторых проблемах энергетики».

Углеродные нанотрубки — перспективный материал для безопасного хранения водорода.

Атомная станция малой мощности УНИТЕРМ, предназначенная для снабжения теплом и электроэнергией поселков в отдаленных районах страны.

Мощная ветроэлектростанция в Калифорнии занимает площадь несколько гектаров.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Илл. 1. Энергию Солнца используют по-разному.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Первые шаги водородной энергетики: автозаправочная станция в Исландии и серийный автомобиль с водородным двигателем.

Схема воздушно-кислородного топливного элемента. Химическая реакция, идущая в нем, дает электрический ток, тепло и чистую воду.

Схема получения и использования водорода в двигателях, электрохимических генераторах (ЭХГ), топливных элементах (ТЭ) и для химического производства.

‹

›

Отечественная энергетика — прошлое и будущее

До последнего времени отечественная электроэнергетика была одной из лучших в мире. Основанием для такого заключения служит созданная на основе достижений науки вполне современная технологическая база, позволявшая российскому энергетическому машиностро ению полностью обеспечить потребности электроэнергетики. Кроме того, важной ее положительной стороной стало создание уникальной Единой энергетической системы — ЕЭС России (см. «Наука и жизнь» №№ 9, 10, 2002 г. — Прим. ред.).

Начало ее создания относится ко второй половине 50-х годов прошлого века, когда были пущены уникальные для того времени гидроэлектростанции — Куйбышевская, а затем Сталинградская (теперь Волжская ГЭС им. В. И. Ленина и Волжская ГЭС в городе Волжском соответственно). Тогда же были построены протяженные линии электропередачи напряжением 500 кВ, соединившие Московскую, Куйбышевскую (Самарскую) энергосистемы и энергосистемы Урала.

ЕЭС России — одна из самых надежных энергосистем в мире. За все годы ее существования не было крупных аварий, подобных тем, которые систематически происходят в США, Великобритании, Италии и других странах. Высокая живучесть ЕЭС России, то есть способность противостоять развитию нарушений, возникающих в отдельных ее частях, стала следствием высокой степени ее организации и эффективности противоаварийной автоматики. Благодаря параллель ной работе электростанций, расположенных в разных часовых поясах, потребность в их мощности снижена на 8 млн кВт. Протяженность электрических сетей всех напряжений в ЕЭС России составляет свыше 2,5 млн км, в том числе напряжением 220-1150 кВт — более 150 тыс. км.

Потребность России в электроэнергии удовлетворяют электростанции, суммарной мощностью превышающие 215 млн кВт. Свыше 20% составляют ГЭС, более 10% — АЭС и почти 70% — тепловые электростанции (ТЭС), работающие в основном на природном газе (63%) и твердом топливе (28%). В структуре отечественной энергетики значительное место занимают ТЭС на сверхкритические параметры пара с энергоблоками мощностью 250, 300, 500, 800 и 1200 мВт.

Необходимое количество энергии определяется потребностью экономики, включая и социальную ее составляющую. В настоящее время эти потребности по секторам экономики распределяются примерно следующим образом:

промышленность — 33%;

коммунальный сектор — 37%;

транспорт — 19%;

сельское хозяйство — 3%;

нетопливные нужды — 8%.

Задача состоит в том, чтобы, используя меньшее количество энергии, получать более высокий результат. Есть несколько путей ее решения: повышение эффективности использования первичных источников энергии, то есть увеличение КПД преобразования энергии; снижение прямых потерь на всех этапах; переход на менее энергоемкие технологии; использование более эффективного оборудования при потреблении энергии.

Следует, однако, заметить, что в настоящее время положение дел в энергетике изменилось, и в основном не в лучшую сторону.

Рассмотрим ряд проблем, стоящих перед энергетикой.

Совершенствование основных технологий производства электроэнергии

Бурное развитие электроэнергетики в целом и теплоэнергетики в частности в 50-60-е и последующие годы прошлого века вывело российскую энергетику на передовые позиции в мире. Однако в последние годы обострился процесс физического и морального старения электростанций и сетей, которые сооружались по проектам полувековой давности и уже не соответствуют современным требованиям к энергоустановкам в области экологии, эффективности использования топлива, надежности и безопасности. Поэтому из всего спектра проблем, накопившихся в электроэнергетике, на первый план вышли задачи ее технического перевооружения. Единственный способ достижения этой цели — перейти на новый технологический уровень, обеспечивающий существенно более высокие показатели эффективности, лучшую защиту окружающей среды и большую надежность.

Лучшие отечественные паросиловые ТЭС, работающие на газе, имеют КПД, не превышающий 39%. КПД современных парогазовых установках достигает 55-60%. Их основу составляют газовые турбины большой мощности с КПД, приближающимся к 40%, и температурой газа на входе до 1500°С. На выходе газ охлаждается до температуры 600°С, достаточной для получения водяного пара высокого давления, поступающего в паровую турбину. Ежегодный ввод парогазовых установок в мире в последнее десятилетие составил около 85 млн кВт, а в текущем десятилетии составит 107 млн кВт, почти половину всех вводимых мощностей. В России из установок подобного класса введен в эксплуатацию лишь один энергоблок на Северо- западной ТЭЦ Ленэнерго. Этого явно недостаточно.

Применительно к угольной теплоэнергетике продвижение вперед означает также совершенствование и развитие термодинамических циклов на основе повышения давления и температуры пара. В теплоэнергетике России последовательно использовались низкие, высокие и сверхкрити ческие параметры пара вплоть до 240 атм и 545°С, которые были освоены в 60-х годах. Отечественная теплоэнергетика находилась тогда на мировом уровне в области новых разработок. В настоящее время у нас промышленного оборудования такого типа нет. То же можно сказать и о других технологиях, о применении угля, газа, полученного при его переработке, об использовании низкосортных видов топлива и т. д. Это отставание консервирует устаревшие технологии и в ближайшие годы может болезненно отразиться на экономике страны.

Исследования свойств веществ и процессов

Изучение свойств веществ, которые могут быть эффективно использованы в энергетике, — важная задача фундаментальной науки. Возьмем, например, углерод. Казалось бы, мы знаем о нем все. Однако это далеко не так. Нет полной ясности о характере плавления углерода, и даже величина температуры его плавления не уточнена. Если графит и алмаз хорошо изучены, то недавно синтезированные структуры углерода, фуллерены и карбин, исследованы недостаточно. А ведь соответствующей обработкой углерода получают еще и так называемые нанотрубки (см. «Наука и жизнь» № 11, 1993 г. — Прим. ред.). Их можно применять, например, для эффективной сорбции водорода, решив проблему его хранения для последующего использования в топливных элементах.

Другой пример относится к весьма перспективному ядерному топливу на основе нитрида урана (сегодня в ядерной энергетике широко используется топливо на основе диоксида урана). Нитрид урана и другие нитридные соединения обладают большей теплопроводностью, и уже только это весьма благоприятно влияет на работу тепловыделяющих элементов (твэлов) и всю активную зону реактора. Однако если диоксид урана хорошо изучен, то этого нельзя сказать о его нитриде, который еще предстоит всесторонне исследовать, в том числе и с облучением в горячих камерах.

Наиболее эффективными теплоносителями для перспективных энергетических установок, и в первую очередь бридеров — реакторов на быстрых нейтронах , — служат жидкие металлы. Их уникально высокая теплопроводность определяет наилучшие характеристики как теплоносителя, а низкое давление насыщенного пара упрощает конструкцию оборудования и его эксплуатацию. Наиболее перспективны щелочные металлы (литий, натрий, калий, рубидий, цезий), имеющие низкую температуру плавления и плотность, а также их двойные и тройные сплавы. Варьирование их компонентного состава позволяет, во-первых, регулировать свойства сплавов в зависимости от эксплуатационных требований, а во-вторых, максимально расширить рабочий температурный диапазон жидкой фазы как в сторону высоких, так и в сторону предельно низких температур.

Интерес представляет и применение многокомпонентных систем в качестве тепловых аккумуляторов: при переходе жидкости в твердую фазу выделяется большое количество тепла.

Из Li, Na, K, Mg/F, Cl, Br, SО₄ удается создать 3- и 4-компонентные эвтектические системы, которые плавятся в интервале температур 500-600°С, наиболее интересном для использования в солнечных электростанциях. Все они имеют высокую теплоту плавления/затвердевания — на уровне 500 кДж/кг.

Сказанное здесь только иллюстрирует подход к проведению крайне необходимых для энергетической науки фундаментальных и прикладных исследований, без которых нельзя говорить о необходимом совершенствовании энергетики.

Проблемы эффективного использования органического топлива

Природный газ

Говоря об использовании природного газа, позволю себе высказать крамольную мысль: в нашей стране необходимо прекратить ориентироваться на использование природного газа как основного топлива в электроэнергетике. Речь должна идти не только о повышении эффективности его использования. Нужно разработать и осуществить государственную программу перехода, прежде всего, на уголь и другие сравнительно малоценные источники энергии — отходы от газонефтепереработки, сланцы, бытовые отходы, топливо из выработанных и малодебитных месторождений, попутные газы нефтедобычи и другие виды топлива.

Чрезмерная привлекательность природного газа для потребителей при убыточности
поставок на внутренний рынок по действующим ценам создает растущую напряженность
его баланса. А поскольку газ обеспечивает почти половину внутреннего потребления
энергоресурсов (в европейской части — свыше двух третей), его дефицит означает
прямую угрозу энергетической безопасности страны.

В 2000 году на ТЭС холдинга РАО «ЕЭС России» в целом по стране было использовано 243,2 млн т условного топлива, в том числе доля газа составила 64%, угля — 30% и мазута — 5%. Но уже в 2001 году доля газа возросла до 66%, а угля снизилась до 28,4%. В европейской же части вместе с Уралом доля природного газа в топливном балансе ТЭС превышает 80%. Такое положение с позиций энергетической безопасности и эффективности использования природного газа не может считаться нормальным и должно быть исправлено.

Вместе с тем весьма эффективным может оказаться более широкое применение природного газа, например, его пропан-бутановых фракций в автомобильных двигателях. Крайне важно для нашей страны освоить технологии сжижения природного газа, что, в частности, позволит решить ряд кардинальных вопросов его транспортировки.

Нефть

Жидкие углеводороды, полученные при переработке нефти, — бензин и дизельное топливо — используются, прежде всего, транспортом. Доля мазута, расходуемого на теплоэлектростанциях, к 2020-2025 годам упадет до 3-4% в связи с увеличением глубины переработки нефти. Технико-экономические обоснования объемов добычи и использования нефти, равно как природного газа, жизненно важны. Наша страна, по некоторым данным, обеспечена разведанными запасами нефти лишь немногим более чем на 20 лет при сегодняшнем уровне добычи, газа — на 90 лет, тогда как угля и урана нам хватит на многие века. Поэтому помимо интенсификации разведки месторождений нефти и газа следует обратить серьезное внимание на освоение малодебитных месторождений и разработку технологий нефтедобычи на уже выработанных месторождениях.

Уголь

Уголь, запасы которого у нас в стране исключительно велики, как уже отмечалось, должен быть основным видом органического топлива для крупной энергетики. Однако не имеющий аналогов в мире перекос цен на взаимозаменяемые энергоносители — газ, уголь и мазут — ориентирует потребителей именно на природный газ.

Следует отметить, что в последние 10-20 лет практически полностью прекращены фундаментальные исследования и технологические разработки по эффективному использованию угля, переработке его для получения синтетического жидкого и газообразного топлива, решения сопутствующих экологических проблем.

Нам представляется необходимым принять решительные меры для перевода тепловой электроэнергетики на уголь. В этом отношении кардинальным фактором является правильная инвестиционная политика, которая невозможна без радикального изменения политики ценовой. Речь идет не о ценах на нефть и нефтепродукты — они адекватны сложившимся правилам рынка и не о ценах на уголь — они выйдут на разумный уровень при развитии рыночных отношений. Ценовую политику нужно менять в естественных монополиях — газовой отрасли, дающей почти половину приходного топливно-энергетического баланса, в электроэнергетике и теплоснабжении, на которые приходится 60% его части.

Теплофикация

В Советском Союзе особенно успешно в широких масштабах развивалась теплофикация. Этому были свои причины. В конце 20-х — начале 30-х годов прошлого века по инициативе ряда отечественных энергетиков началось массовое строительство крупных теплоэлектростанций с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла. Научно-техническое обоснование такого решения тогда было вполне оправданным. КПД тогдашних электростанций составлял порядка 25%, и огромные объемы тепла нужно было использовать. Теплофикация позволила весьма эффективно отапливать населенные пункты в районах размещения электростанций.

Естественно, что для передачи тепла от электростанции к потребителю — зданиям и сооружениям — требовалась разветвленная система подвода горячей воды. Теплофикационные трубопроводы, как правило, прокладывались под землей, нуждались в эффективной теплоизоляции, в резервировании, периодическом ремонте и замене. Все это в условиях тогдашней политической системы, жесткого планирования и централизации было осуществлено с большим размахом на территории всей страны и мировых аналогов не имело.

До настоящего времени более 72% всей тепловой энергии производится централизованными источниками мощностью более 20 Гкал/ч, в том числе почти 32% тепловой энергии вырабатывается на электростанциях.

Казалось бы, масштабную теплофикацию следует развивать и далее. Однако ее состояние сегодня и степень совершенства электроэнергетики, по нашему мнению, требуют иного подхода. Во всех системах централизованного теплоснабжения вырабатывается около 1,4 млрд Гкал в год, из них порядка 0,8 млрд Гкал в год — на теплоэлектростанциях. Протяженность трубопроводных систем составляет колоссальную величину — более 250 000 км. При этом, по некоторым оценкам, около 80% сетей требуют замены или капитального ремонта и не менее 15% их находятся в аварийном состоянии. На каждые 100 км тепловых сетей ежегодно регистрируется в среднем 70 повреждений. Потери тепла в сетях достигают 30%, а утечки горячей воды — более кубического километра в год.

С другой стороны, КПД тепловых электростанций с парогазовыми установками уже
превышает 60%, что резко уменьшает выход тепла. Тем самым напрашивается необходимость
пересмотреть установившиеся ранее взгляды на широкую теплофикацию, обсудить
вопрос о прекращении строительства крупных теплоэлектроцентралей и широком внедрении
малых электростанций, работающих по комбинированному циклу. При этом прекратится
массовое строительство трудно ремонтируемых и практически незаменяемых (в крупных
населенных пунктах) тепловых сетей, уменьшатся потери тепла, а иногда и электроэнергии.
Такого рода малые электростанции требуют, естественно, подвода топлива, предпочтительно
природного газа, что гораздо проще прокладки и эксплуатации протяженных тепловых
сетей.

О ядерной энергетике

Сохранять и развивать ядерную энергетику безусловно следует. Вопрос лишь в том, в каких масштабах и в каких направлениях. В настоящее время ядерная энергетика в нашей стране дает всего лишь около 10% электроэнергии, служа тем не менее важной компонентой электроэнергетики.

Полагаю, однако, что масштаб строительства новых крупных ядерных электростанций должен быть ограничен. Эти ограничения касаются, прежде всего, атомных электростанций с реакторами на тепловых нейтронах. Нужно сосредоточить внимание на проблеме создания эффективных ядерных реакторов на быстрых нейтронах и рассматривать это направление как наиболее перспективное. В нашей стране имеются интересные разработки в области их конструирования, результаты внедрения которых могут быть весьма успешными.

Отдельной задачей должно быть исполнение программы закрытия ядерных реакторов, исчерпавших ресурс работы, переработки и надежного захоронения радиоактивных отходов.

Наконец, для ряда труднодоступных районов нашей обширной страны весьма важным могло бы быть строительство малых ядерных электростанций, работающих порой в автоматическом режиме, а также плавучих атомных электростанций (см. также «Наука и жизнь» № 5, 1993 г. — Прим. ред.).

О возобновляемых
источниках энергии

К возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относятся: солнечная энергия; энергия ветра; энергия биомассы, включая различные отходы; геотермальная энергия; энергия малых рек; энергия приливов; волновая энергия; энергия, определяемая разностью температур по глубине океана.

В производстве электроэнергии доля возобновляемых источников без крупных ГЭС в целом по миру составляет около 1,6%. Однако в ряде развитых стран она вполне ощутима: Дания — более 12%; Италия — 2,8%; Испания — 2,7%; Германия — 2,7%; Чили — 2,7%; Швеция — 2,5%; Великобритания — 2,4%; США — 2,2%.

Большинству возобновляемых источников присущ крупный недостаток — их энергия поступает непостоянно. Работающие на ней установки должны иметь либо аккумуляторы, либо установки-дублеры, работающие на традиционном топливе, или же электрическая сеть должна иметь достаточные емкость и маневренность, чтобы компенсировать неритмичность работы. Полученная ими энергия, как правило, дороже традиционной, что существенно влияет на отношение к ним. Поэтому если в 70-80-е годы прошлого века для развитых стран стимулом применения возобновляемых источников были нефтяные кризисы и опасение, что век дешевого топлива закончился, то сегодня основным аргументом в их пользу стала экологическая чистота. Для России сегодня, несмотря на высокую стоимость энергии, использование этих источников может оказаться экономически выгодным на территориях, где используется дорогое привозное топливо и нет централизованного энергоснабжения.

Ветровая энергетика

Использование энергии ветра — динамично развивающаяся отрасль мировой энергетики (см. «Наука и жизнь» № 3, 2004 г. — Прим. ред.). Если суммарная мощность всех ветроэнергетических установок в мире в 2000 году составляла 17,8 ГВт, то в 2002 году она достигла уже 31,1 ГВт, а мощность серийной установки — около мегаватта. При благоприятных характеристиках ветра стоимость «ветровой» электроэнергии приближается к стоимости электроэнергии «топливной». В России до недавнего времени развитию ветроэнергетики не уделялось должного внимания. Разрабатывавшиеся в конце прошлого века установки не отвечали требованиям надежности и эффективности. Поэтому практически все крупные ветроэлектро -станции, действующие сегодня в России, укомплектованы импортными агрегатами.

Малая гидроэнергетика

К малым ГЭС условно относят станции мощностью от 100 кВт до 10 МВт. Меньшие агрегаты относятся к категории микро-ГЭС. Суммарная мощность малых ГЭС в мире сегодня превышает 70 ГВт.

Малая гидроэнергетика за последние десятилетия заняла устойчивое положение во многих странах мира. Лидирующая роль в ее развитии принадлежит КНР, где суммарная мощность малых ГЭС более 13 млн кВт. В США, Канаде, Швеции, Испании, Италии и во Франции она превышает 1 млн кВт. Развивающиеся страны строят малые ГЭС в качестве автономных источников электроэнергии в сельской местности.

Энергетический потенциал малых рек нашей страны очень велик. В России свыше 2,5 млн малых рек с общим стоком более 1000 км³ в год. Доступными сегодня средствами на малых ГЭС в России можно производить около 500 млрд кВт^.ч электроэнергии в год. Особенно привлекательно создание малых ГЭС на базе ранее существовавших, где сохранились гидротехнические сооружения, и на малых водохранилищах, которых в России более тысячи.

Солнечная энергия

Проще всего с помощью солнечной энергии получать тепло в плоском коллекторе для горячего водоснабжения. Суммарная площадь коллекторов, установленных сегодня в мире, оценивается в 50-60 млн м², что обеспечивает производство тепловой энергии, эквивалентное 5-7 млн тонн условного топлива в год (см. «Наука и жизнь» № 12, 2002 г. — Прим. ред.).

В России солнечные водонагреватели пока еще не нашли значительного распространения. Это, с одной стороны, связано с относительно низкой стоимостью традиционных топлив, а с другой — с бытующим мнением о нехватке солнечного света в большинстве регионов России.

Преобразование солнечной энергии в электроэнергию можно вести как термодинамическими методами (получением пара высокого давления), так и прямым преобразованием с помощью фотоэлектрических панелей (ФЭП).

Сегодня в США работают семь электростанций общей мощностью 354 МВт, использующие цилиндрические отражатели света и термодинамический метод преобразования. Известны проекты сооружения подобных установок в ряде стран так называемого солнечного пояса (Мексика, Египет и др.). Для России подобные проекты сколько-нибудь значительного интереса не представляют.

Фотоэлектрические преобразователи, напротив, находят все большее применение. Они используют не только прямое, но и рассеянное излучение и не требуют дорогостоящих устройств слежения за Солнцем.

Суммарная мощность всех установленных в мире фотоэлектрических преобразователей превысила 500 МВт; в ряде стран приняты национальные программы по широкому их внедрению («100 тысяч солнечных крыш» в Германии и в Японии, «1 млн солнечных крыш» в США). При хорошем освещении стоимость выработанной преобразователями электроэнергии не превышает 15-20 центов за киловатт. Установки небольшой мощности, в единицы киловатт, дают сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население развивающихся стран к современной цивилизации.

Несмотря на положительные тенденции мирового рынка, высокая стоимость электроэнергии фотопреобразователей сдерживает их более широкое применение. Она обусловлена дороговизной и основного материала (как правило, кремния высокой чистоты), и технологического процесса его получения. Поэтому во всем мире ведутся исследования и разработки, направленные на их удешевление. Одно из перспективных направлений — создание высокоэффективных преобразователей с концентраторами солнечного излучения. Наиболее интенсивно исследования в этой области проводятся в США и России. КПД разработанных в США солнечных элементов на основе монокристаллов кремния достигает 20-25% при концентрации в 10-100 солнц и рабочей температуре 25°С. Для работы при концентрации в 300-1000 солнц более перспективны элементы на основе системы арсенид галлия — арсенид алюминия, впервые разработанной в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе: их КПД около 30% при концентрации в 500-1000 солнц и рабочей температуре 60-80°С.

Энергия биомассы

По некоторым данным, вклад биомассы в мировой энергетический баланс составляет около 12%, хотя значительная ее доля, используемая для энергетических нужд, не учитывается официальной статистикой.

Биомасса образуется в результате фотосинтеза, за счет которого солнечная энергия аккумулируется в растущей массе растений. Энергетический КПД фотосинтеза составляет около 5%. В зависимости от вида растений и зоны их произрастания продуктивность в расчете на единицу площади, занятой растениями, различна. Для медленно растущих северных лесов она составляет тонну прироста древесины в год на гектар. Для сравнения: на этой же площади в штате Айова, США, урожай кукурузы (вся зеленая масса) в 1999 году составил около 50 тонн.

Для энергетических целей первичная биомасса используется в основном как топливо, причем речь, как правило, идет об отходах полеводства (солома, сено), лесной и деревоперерабатывающей промышленности. Сжигание биомассы обычно требует либо ее предварительной подготовки, либо специальных топочных устройств.

В России использование отходов лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности для коммерческого производства электроэнергии и тепла пока незначительно. По некоторым данным, в стране еще недавно имелось 27 малых ТЭЦ общей мощностью 1,4 ГВт, использовавших их совместно с традиционным топливом (мазут, уголь, газ). При этом собственно на биомассе выработано 2,2 млрд кВт.ч электроэнергии и 9,7 млн Гкал тепла.

Значительный энергетический потенциал содержится в отходах животноводства, твердых бытовых отходах и отходах различных отраслей промышленности. Используют их с помощью термохимических и биохимических методов. В первом случае речь идет в основном о твердых бытовых отходах, которые либо сжигают, либо газифицируют на мусороперерабатывающих фабриках. Во втором случае сырье — навоз или жидкие бытовые стоки — перерабатывают в биогаз, состоящий из 70% метана и 30% диоксида углерода.

В России ежегодно образуется около 60 млн тонн твердых бытовых отходов, около 130 млн тонн отходов животноводства и птицеводства и 10 млн тонн осадков сточных вод. Их энергетический потенциал — 190 млн условного топлива используется пока совершенно недостаточно.

Геотермальная энергия

Из недр Земли на поверхность непрерывно поступает тепловой поток, интенсивность которого составляет в среднем около 0,03 Вт/м². Под его воздействием возникает вертикальный градиент температуры — так называемая геотермальная ступень. В большинстве мест она составляет не более 2-3 градусов на 100 метров. Однако в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры, порой уже на глубине нескольких сотен метров залегают либо сухие горные породы, нагретые до 100°С и выше, либо запасы воды или пароводяной смеси такой же температуры, пригодные для создания геотермальной электростанции (ГеоЭС). Менее горячую воду целесообразно использовать для теплоснабжения. Если температура воды слишком низка для непосредственного использования, ее можно повысить, применяя тепловые насосы. Если обычным путем тепло переходит от нагретого тела к более холодному, выравнивая разность температур, то тепловой насос «перекачивает» его в обратном направлении, от холодного тела к нагретому, повышая его температуру. Примером служит обычный холодильник: он забирает тепло из морозильной камеры и отдает его в комнату.

В настоящее время суммарная электрическая мощность действующих в мире ГеоЭС составляет около 10 ГВт, а тепловая мощность геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 17 ГВт.

Запасы геотермальной энергии в России чрезвычайно велики: практически всюду
есть запасы подземного тепла с температурой от 30 до 200°С. Сегодня на территории
России пробурено около 4000 скважин на глубину до 5 км, которые позволяют перейти
к широкомасштабному внедрению современных технологий для местного теплоснабжения
на всей территории нашей страны. В последнее десятилетие АО «Геотерм» и АО «Наука»
совместно с Калужским турбинным заводом внесли существенный вклад в использование
геотермальной энергии на Камчатке и Курильских островах. Построены Верхнемутновская
ГеоЭС мощностью 12 МВт и первый блок Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт. На Курильских
островах сооружены геотермальны е станции теплоснабжения.

Использование низкопотенциального тепла в сочетании
с тепловыми насосами

В настоящее время отопление и горячее водоснабжение городов осуществляются, как правило, от городских ТЭЦ или районных котельных, работающих на традиционном топливе. Автономные потребители (коттеджи, дачи, садовые домики) используют для отопления и горячего водоснабжения также и электроэнергию.

Вместе с тем множество источников низкопотенциального тепла, как природных, так и искусственных, в сочетании с тепловыми насосами могут составить конкуренцию традиционному топливу. Тепловые насосы широко применяются для обогрева жилых и административных зданий в США, Швеции, Канаде и других странах со сходными с Россией климатическими условиями. Расширяется опыт их применения и в нашей стране.

В качестве природных низкопотенциальных источников тепла наибольший интерес представляют незамерзающие водоемы или источники геотермального тепла. Во многих регионах на небольшой глубине есть геотермальные воды с температурой 20-30°С. Там с каждого метра длины скважины глубиной от десятков до нескольких сотен метров, служащей теплообменником с циркулирующей жидкостью, можно получить от 70 до 300 Вт тепла.

Представляют интерес комбинированные схемы, в которых наряду с использованием тепла грунта утилизируются тепло вентиляционных выбросов и солнечная энергия, преобразуемая посредством простейшего солнечного коллектора.

О широком применении тепловых насосов речь идет уже давно, однако их использование весьма ограничено. Необходимо совершенствовать технологию, снижающую их стоимость и расходы на эксплуатацию, и знакомить потенциальных потребителей с этим весьма перспективным методом теплоснабжения.

Сверхпроводимость

Использование явления сверхпроводимости в энергетике всегда считалось весьма перспективным. Даже сверхпроводники, работающие при гелиевых температурах, помимо их приборного применения, вполне успешно работали в крупных магнитных системах, индукционных накопителях энергии, запасающих до 10⁸ и даже до 10⁹ джоулей, в экспериментальных линиях электропередачи и электрических машинах.

Однако особых перспектив в создании силовых проводников с большими плотностями тока следует ожидать после разработки высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), работающих при водородных и, можно надеяться, азотных температурах. А использование очень непростого в техническом плане явления сверхпроводимости, даже при азотных температурах, в электрических машинах, КПД которых в настоящее время достигает 99%, представляется излишним — результатом станет лишь ничтожный технико-экономический эффект.

Водородная энергетика

Термин «водородная энергетика» предполагает широкое использование водорода в энергетических системах и во многих других секторах экономики ближайшего будущего. Сегодня водород для целей энергетики практически не применяется.

Действительно важным аргументом внедрения водорода в энергетику служит охрана окружающей среды: при сжигании водорода в атмосферу выбрасывается только водяной пар. Особенно активно в последнее время водород предлагают как топливо для автомобилей — он не только не загрязняет атмосферу, но и приводит к экономии первичного топлива.

Водород, однако, нельзя называть источником энергии. Он в связанном виде входит в состав воды, ряда природных углеводородов, биомассы, различных органических отходов. Получение водорода из них требует затрат энергии. Поэтому водород следует рассматривать как промежуточный энергоноситель, и для его широкого применения нужно решить задачи эффективного производства, методов хранения и транспортировки, высокоэкономичного использования водорода для получения тепла, электрической и механической энергии.

Производство водорода

Повсеместное внедрение водородной энергетики требует разработки новых методов эффективного и экологически чистого производства водорода из углеводородного сырья, органических отходов и воды. Сегодня водород из углеводородов и органических отходов чаще всего получают термохимическими методами; при его производстве из воды традиционно применяют электролиз или различные высокотемпературные термохимические циклы.

Аккумулирование и хранение водорода в твердофазном связанном состоянии: в металлогидридах
и композитных наноструктурных материалах, в том числе металлугле родных и каталитических,
— наиболее безопасно и для многих приложений наиболее эффективно. Исследования
и разработки таких технологий охватывают создание и исследование как новых металлогидридных
систем, так и систем на основе новых материалов с улучшенной кинетикой сорбции
и повышенной емкостью по водороду. Их появление может радикально расширить практическое
использование аккумулирующих водород устройств на автотранспорте и в автономной
энергетике. Особенно важно это для безопасного хранения газа на борту транспортных
средств. Водород, как экологически чистый энергоноситель для производства электроэнергии,
можно использовать и в топливных элементах, и в энергетических установках.

Топливные элементы

В отличие от тепловых электростанций, которые химическую энергию топлива вначале преобразует в тепло, а уж затем в электроэнергию, в топливном элементе происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. Теоретически вся химическая энергия топлива может быть превращена им в электроэнергию. Однако при всей заманчивости идеи использования топливных элементов в энергетике ее реализация наталкивается на серьезные трудности. Именно поэтому их практическое применение и по сей день весьма ограничено, хотя принцип работы известен уже более полутораста лет. Основная сложность состоит в том, что и топливо и окислитель должны быть вначале превращены в ионы. В топливных элементах ионизация происходит при умеренных температурах в присутствии катализаторов, включающих металлы платиновой группы. Сегодня применительно к энергетике рассматривают несколько типов топливных элементов с КПД от 40% до 70%, различающихся прежде всего типом электролита — переносчика ионов и характером промежуточных реакций. Топливом для них служит водород, а окислителем — либо кислород, либо воздух. Принципиальная схема включает водородный анод, кислородный катод и электролит, проводящий те или иные ионы. Теоретическая ЭДС элемента при стандартных условиях составляет 1,23 В.

Для примера рассмотрим топливный элемент со щелочным электролитом, который служит источником энергии для космических аппаратов. На его аноде происходят диссоциация и ионизация молекулярного водорода:

H₂ ® 2H⁺ + 2e^—.

В качестве электролита обычно используется раствор щелочи КОН. Ионы водорода под действием разности потенциалов между анодом и катодом диффундируют через слой электролита к катоду. Электроны, образовавшиеся на аноде, при замыкании внешней электрической цепи перетекают к катоду, совершая полезную работу. На катоде происходит реакция

4H⁺ + 4e^— + O₂ ® 2H₂O,

то есть единственным продуктом реакции оказывается водяной пар.

Каждый тип топливных элементов имеет свою предпочтительную область использования. Однако для их широкого применения требуется не менее чем на порядок снизить стоимость элементов. Именно в этом направлении, по-видимому, будут развиваться в ближайшие годы научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Водородсжигающие установки

Многие исследования показали, что по термодинамической эффективности паротурбинные и парогазовые водородсжигающие электроустановки мощностью 1-10 МВт близки к топливным элементам, а по удельной мощности (на единицу реакционного объема) превышают их. При мощностях до 0,1-1,0 МВт для автономных потребителей более эффективными могут оказаться топливные элементы.

Как показал технико-экономический анализ различных вариантов использования водорода в энергоустановках, наиболее целесообразно, в том числе и с точки зрения безопасности, производить водород в одном блоке с электрохимическим генератором. В качестве его источника можно использовать алюминий, боро-, алюмогидриды и другие соединения, которые при химическом и электрохимическом окислении дают наибольший выход газа.

На этом, наверное, можно закончить краткий обзор некоторых важных проблем
энергетики, основанный на более чем шестидесятилетнем опыте деятельности в области
энергетической науки, ее прикладного применения и данных о современном положении
дел в энергетике. Развитие и совершенствование энергетики должны проводиться
на базе достижений фундаментальной и прикладной наук, разработки новых технологий
— основы для создания высокоэффективного оборудования. А учитывая ту огромную
роль, которую играет энергетика, позволяя на основе технико-экономического анализа
принимать соответствующие политические решения, не будет большим преувеличением
утверждать, что энергетика и в немалой степени ее электроэнергетическая составляющая
во многом определяют безопасность государства.

Подписи к иллюстрациям

Илл. 1. На снимках: параболические зеркала-концентраторы в калифорнийской пустыне,
предназначенные для нагрева воды; солнечные преобразователи снабжают электроэнергией
коттеджи в голландском поселке; портативные фотоэлектрические панели дают возможность
индийским крестьянам слушать радио и смотреть телевизор.

Проблемы и перспективы развития энергетики в России и мире

Современное развитие экономики остро  выявило основные проблемы развития энергетического комплекса. Эра углеводородов медленно, но верно подходит к своему логическому завершению. Ей на смену должны прийти инновационные технологии, с которыми связываются основные перспективы энергетики.

Проблемы энергетического комплекса

Пожалуй, одной из важнейших проблем энергетического комплекса можно считать высокую стоимость энергии, приводящую, в свою очередь, к удорожанию себестоимости выпускаемой продукции. Несмотря на то, что в последние годы активно ведутся разработки, способные позволить использование альтернативных источников энергии, ни одна низ них на сегодняшний момент не способна полностью вытеснить углеводороды с мировой энергетической арены. Альтернативные технологии – дополнение к традиционным источникам, но  не их замена, по крайней мере, сейчас.

В условиях России проблема усугубляется еще и состоянием упадка энергетического комплекса. Электрогенерирующие комплексы находятся не в самом лучшем состоянии, многие электростанции  физически разрушаются. В результате стоимость электроэнергии не снижается, а постоянно возрастает.

Долгое время мировое энергетическое сообщество делало ставку на атом, но это направление развития также можно назвать тупиковым. В европейских странах наблюдается тенденция к постепенному отказу от АЭС. Несостоятельность энергии атома подчеркивается еще и тем, что за долгие десятилетия развития  она так и не смогла вытеснить  углеводороды.

Перспективы развития

Как уже отмечалось, перспективы развития энергетики, в первую очередь, связываются с разработкой эффективных альтернативных источников. Наиболее изученными направлениями в этой области являются:

• Биотопливо.
• Ветроэнергетика.
• Геотермальная энергетика.
• Гелиоэнергетика.
• Термоядерная энергетика (УТС).
• Водородная энергетика.
• Приливная энергетика.

Ни одно из этих направлений не способно решить проблему энергетического кризиса, когда простого дополнения старых источников энергии альтернативными уже недостаточно. Разработки ведутся в разных направлениях и находятся на различных стадиях своего развития. Тем не менее, уже можно очертить круг технологий, которые способны положить начало инновационной энергетике:

• Вихревые теплогенераторы. Такие установки используются достаточно давно, найдя свое применение в теплоснабжении домов. Прокачиваемая через систему трубопроводов рабочая жидкость нагревается до 90 градусов. Несмотря на все преимущества технологии, она еще далека от окончательного завершения разработок. Например, в последнее время активно изучается возможность использования в качестве рабочей среды не жидкости, а воздуха.
• Холодный ядерный синтез. Еще одна технология, развивающаяся примерно с конца 80-х годов прошлого века. В ее основе лежит идея получения ядерной энергии без сверхвысоких температур. Пока направление находится на стадии лабораторных и практических исследований.
• На стадии промышленных образцов находятся магнитомеханические усилители мощности, использующие в своей работе магнитное поле Земли. Под его воздействием увеличивается мощность генератора и увеличивается количество получаемой электроэнергии.
• Очень перспективными представляются энергетические установки, в основе которых лежит идея динамической сверхпроводимости. Суть идеи проста – при определенной скорости возникает динамическая сверхпроводимость, позволяющая генерировать мощное магнитное поле. Исследования в этой области идут довольно давно, накоплен немалый теоретический и практический материал.

Это только крошечный перечень инновационных технологий, каждая из которых обладает достаточным потенциалом развития. В целом, мировое научное сообщество способно развивать не только альтернативные источники энергии, которые уже можно назвать старыми, но и по-настоящему инновационные технологии.

Нельзя не отметить, что в последние годы все чаще появляются технологии, которые еще недавно казались фантастическими. Развитие подобных источников энергии способно полностью преобразить привычный мир. Назовем только самые известные из них:

• Нанопроводниковые аккумуляторы.
• Технологии беспроводной передачи энергии.
• Атмосферная электроэнергетика и т. д.

Следует ожидать, что в ближайшие годы появятся и другие технологии, разработка которых позволит отказаться от использования углеводородов и, что немаловажно, снизить себестоимость энергии.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Проблемы энергетических ресурсов | Статья в журнале «Молодой ученый»



На сегодняшний день рассматриваются различные проблемы в сфере электроэнергетики. Но из всех рассматриваемых проблем можно выделить 3 основные группы, которые в свою очередь связаны с удовлетворением растущего спроса потребителей на электроэнергию.

В эти группы можно включить следующие аспекты:

‒ уменьшение энергоресурсов и их дефицит;

‒ увеличивающаяся нагрузка на экологическую структуру окружающей среды;

‒ социальные угрозы.

В первой проблеме можно рассмотреть невозобновляемость энергетических ресурсов и неравномерное распределение их по карте.

Для повышения обеспеченности энергетическими ресурсами следует отметить 2 критерия:

1) поиск и нахождение уже имеющихся энергетических ресурсов;

2) повышение энергоэффективности, а также сбережение энергоресурсов.

Основным решением вышеперечисленных проблем является реализация работ, направленных на энергосбережение и энергозамещение. Энергозамещение в свою очередь осуществляется за счёт внедрения альтернативных источников энергии и возобновляемыми топливными ресурсами. Для начала следует увеличить эффективность использования энергоресурсов и энергии, а также удержание роста температуры окружающей среды.

Снизить потребление электроэнергии при помощи внедрения современных высокотехнологических инструкторских сооружений.

Энергосбережение должно предусматриваться на всех этапах в цикле производства, начиная от поиска, разведки, добычи, транспортировки и, конечно же потребления. А также является эффективным направлением для решения экономических и экологическим проблем энергетики, которые рассматривают соотношение между объёмами инвестиций и затратами на выработку количества энергии.

Энергозамещение предусматривает переход от традиционного топлива к нетрадиционным, то есть возобновляемым источникам электроэнергии. Вышеизложенные меры, предусматривающие проблемы энергоресурсов, должны реализовываться одновременно с постепенным усилением внимания на энергозамещение. Однако темпы снижения удельной энергоёмкости не отвечают требованиям перехода страны на инновационный путь развития, они не обеспечивают решение общей для всех задачей — распорядиться энергоресурсами так, чтобы не решать проблемы сегодняшнего дня в ущерб будущим поколениям.

Альтернативные источники энергии

В зависимости от увеличения цен на традиционные энергоресурсы (рост энергопотребления и истощение месторождений) возрастает интерес к дополнительным вспомогательным альтернативным топливным ресурсам. Если говорить яснее, то можно перечислить замену в следующем порядке: горючим сланцам, тяжёлой нефти, попутному нефтяному газу, угольному метану, газогидратам, горючим бытовым и промышленным отходам. На сегодняшний день по всем видам дополнительных энергоресурсов разработаны и основаны новые технологии их добычи и преобразования в тепловую и электрическую энергию. Основной задачей является улучшение экономических показателей до уровня конкурентоспособности.

Внедрение в хозяйственную деятельность освоенных вспомогательных топливных ресурсов в значительных масштабах может способствовать решению следующих задач:

‒ удержание роста цен на углеводороды;

‒ продление срока использования нефтяного и газового секторов топливно-энергетического комплекса;

‒ увеличение количества стран, которые имеют собственное энергетическое сырьё.

Если рассматривать нетрадиционные возобновляемые источники энергии, то можно дать следующую трактовку этому понятию: это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоценозов растительного и животного происхождения.

К таким источникам энергии можно отнести следующие виды:

‒ биомасса;

‒ солнце;

‒ ветер;

‒ земные недра;

‒ воды морей и океанов, содержащие потенциальную энергию;

‒ химическая энергия градиентов солёности.

Вследствие нефтяного кризиса появилась необходимость в использовании возобновляемых источников энергии.

Рост масштабов использования таких видов энергоресурсов сдерживается рядом характерных для них недостатков, обусловленных их природой, которые сужают границы экономической эффективности их использования:

1) низкой удельной мощностью потока энергоносителя, большие удельные капитальные затраты на их сооружение

2) низким КПД

3) нестабильность мощности большинства ВИЭ, что обуславливает воспроизводства работы при помощи дополнительных инженерных установок.

Оптимальное использование электроэнергии при помощи электрических машин

На сегодняшний день электрификация промышленности, транспорта, сельского хозяйства и быта населения обусловливается необходимостью использования разнообразного электротехнического оборудования. Одним из основных видов таких оборудований являются электрические машины, которые служат для преобразования одной величины напряжения к другому, повышение и понижение напряжения при помощью трансформаторов, преобразование механической энергии в электрическую и обратно — электрической энергии в механическую, а также для преобразования одного рода электрической энергии в другой.

Нужно отметить также следующий пункт относительно электрификации, которая является стержнем строительства экономики и играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства. В арсенале электротехнических средств, применяемых при электрификации народного хозяйства, лидирующее место занимают электрические машины, широко используемые как в процессе производства электрической энергии, так и процессе ее потребления.

За последнее время возросло применение электрических машин малой мощности — микромашин мощностью от долей до нескольких сотен ватт. Такие электрические машины используют в устройствах автоматики и вычислительной техники.

Если рассматривать особый класс электрических машин, то их составляют двигатели для бытовых электрических устройств — пылесосов, холодильников, вентиляторов и др. мощность этих двигателей невелика (от единиц до сотен ватт), конструкция проста и надежна, и изготовляют их в больших количествах.

Электрическую энергию, вырабатываемую на электростанциях, необходимо передать в места ее потребления, прежде всего в крупные промышленные центры страны, которые удалены от мощных электростанций на многие сотни, а иногда и тысячи километров. Но электроэнергию недостаточно передать. Ее необходимо распределить среди множества разнообразных потребителей — промышленных предприятий, транспорта, жилых зданий и т. д.

Широко внедряются автоматизированные системы в различные сферы народного хозяйства. Основным элементом этих систем является автоматизированный электропривод, поэтому требуется опережающими темпами наращивать выпуск автоматизированных электроприводов.

Исходя, из выше изложенного можно отметить, что в условиях научно-технической революции большое значение приобретают работы, связанные с повышением качества выпускаемых электрических машин и трансформаторов. Решение этой задачи является важным средством развития международного экономического сотрудничества.

Основные термины (генерируются автоматически): электрическая энергия, народное хозяйство, альтернативный источник энергии, возобновляемый источник энергии, машина, окружающая среда, проблема, ресурс.

Энергетическая проблема и пути её решения. Перспективы альтернативной энергетики :: SYL.ru

Время не стоит на месте. В глубокой древности люди использовали как источник энергии только собственные силы, или, по возможности, силы домашних животных. Потом первым внешним источником энергии, который научились использовать люди, был огонь. Все, что вначале умели получить от огня, это приготовление еды и обогрев своего жилища. Сегодня на службе у человечества находятся источники энергии, которые превышают человеческую силу в миллионы раз. Сейчас мы готовим еду не только с помощью огня, специальной техникой поднимаем тонны грузов, используя ракеты, покоряем космос, заглядываем в глубины Земли и строим миллионы городов. Тем не менее, в мире все чаще возникают локальные энергетические кризисы, связанные с недостатком энергетических ресурсов.

Закон энергии

Энергия никогда не исчезает, она может менять форму и накапливаться. Например, растения нуждаются в солнечном свете, они превращают солнечную энергию и накапливают ее. Вместе с тем, они отдают ее нам в виде съедобных продуктов, люди и животные потребляют эти растения и превращают эту энергию, которая в них накапливается, например, в мышечную работу. С другой стороны, при сжигании дров на костре также освобождается энергия, происходящая от Солнца. Кроме того, все ископаемые ресурсы планеты, прежде всего уголь, природный газ, нефть являются накопителями солнечной энергии. Все эти топливно-энергетические ресурсы образовались из останков животных и растений, которые существовали миллионы лет назад, под действием давления и чрезвычайно высокой температуры в земной коре.

Средневековому человеку показалось бы волшебством, если бы перед его глазами кто-нибудь добыл свет из угля или привел бы в движение машину с помощью нефти. Но это волшебство заключается только в том, чтобы сделать возможным накопление энергии и переход ее из одной формы в другую. В наше время этот процесс стал для всех настолько обычным, что мало кто задумывается об энергетической проблеме и о тех ресурсах, которые мы для этого берем. С того времени, когда человечество начало разгадывать секреты энергии, оно старается добыть энергию с наименьшими затратами. Идеальным вариантом было бы изобрести машину времени, так называемую «перпертум мобиле», которая производила бы энергию сама, получая ее из ничего. Но, к сожалению, такой вечный двигатель, который бы решил все проблемы энергетических ресурсов, создать невозможно. Общее количество энергии всегда остается неизменным, ее нельзя создать, можно лишь освободить накопившуюся энергию и превратить в другую: световую, электрическую, тепловую, физическую, химическую и т. д.

Вода как источник энергии

Человек может использовать мощную силу воды, на некоторых этапах вмешиваться в природный кругооборот воды, чтобы таким образом добывать энергию. Сегодня на гидроэлектростанциях производится электроэнергия, которую можно накапливать или же сразу потреблять по назначению.

Невероятной силы морские волны ежесекундно разбиваются о многочисленные побережья, мощная энергия их выполняет свою работу. Но человечество до сих пор не в силах использовать силу морских волн для производства энергии, хотя существует бессчетное количество теоретических моделей и идей их реализации для решения энергетической проблемы. С недавнего времени, а именно после аварии на Чернобыльской АЭС правительства многих морских государств всерьез заинтересовались этим безопасным источником энергии, до этого проводились испытания в основном в области атомной энергетики.

Уголь

Все виды угля – это результат процесса, длившегося миллионы лет, во время которого останки разнообразной растительности разложились и превратились под действием высокого давления в торф, затем — в уголь. Эти залежи на протяжении миллионов лет все глубже и глубже проникали в земную кору, покрываясь сверху новыми пластами. Например, слой торфа в 50 метров уплотнялся до пласта угля в 3 метра. Первыми, еще в I столетии нашей эры, с помощью угля отапливали свои жилища римляне. Исследователи считают, что торф использовался для отопления еще в доисторический период. И только в XVI веке уголь стали использовать в Европе как топливо.

Уголь и нефть по своему происхождению и химическому составу принадлежат к одной группе. На самом деле из угля так же, как из нефти, можно получить бензин. Этот способ был разработан в Германии во время Второй мировой войны, когда нефти для производства бензина не хватало. Этот метод заключается в том, что в процессе сжигания уголь размельчается и проходит определенные химические процессы, в результате чего получается отличное топливо.

Нефть

Как и другие виды ископаемого топлива, которое человечество сжигает для получения тепла и электроэнергии, нефть имеет чрезвычайно почтенный возраст. Самые старые месторождения нефти были образованы 600 млн лет назад. Нефть заполняла все пустоты и щели земной коры, создавая громадные месторождения. В наше время они активно отыскиваются, бурятся скважины и добываются огромные запасы этих залежей.

Из нефти производят все больше и больше веществ, потребляемых человечеством. Бензин и дизельное топливо — не единственные продукты, потребляемые человеком. Нефть является сырьем для производства лекарств, искусственных тканей, ядов, минеральных удобрений, косметики, пластмассы. Мы даже не подозреваем, насколько человечество зависимо от этих топливно-энергетических ресурсов. Не зря самые богатые страны в мире – это страны-добытчики и производители нефти. В наше время везде господствует нефть. Ни одна другая форма по мощности пока не может заменить нефть как источник энергии.

Природный газ

Газ, используемый для отопления, приготовления еды или производства электроэнергии, — это в большинстве случаев пропан, бутан или природный газ. Он был обнаружен во время бурения первых нефтяных скважин почти случайно. Сегодня природный газ обеспечивает пятую часть мировой потребности в энергии.

Природный газ, который сгорает во время приготовления еды, выделяет энергии в два раза больше, чем электрический ток, производимый тепловыми электростанциями. Природный газ, так же как и уголь, является ископаемым топливом, но по своему происхождению ближе к нефти. Именно поэтому он добывается вместе с нефтью или в виде самостоятельных газовых образований. Проще всего добывать природный газ из месторождений, которые находятся под землей, как на Ближнем Востоке или в Сибири. Безопасность при его выработке обеспечивается системой соединительных труб и вентилей, с помощью которых регулируют давление, так как газовые месторождения постоянно находятся под огромным давлением.

Главные европейские месторождения газа находятся в Италии, Франции и Голландии, а также в Северном море, возле побережья Великобритании и Норвегии. Кроме этого, Россия поставляет сибирский газ разветвленной системой газопроводов в страны Центральной Европы. Россия – главный поставщик газа, из Сибири поступает третья часть всех используемых в мире запасов газа.

Энергия из атомов

Атомную энергию человечество научилось получать на электростанциях путем расщепления ядра атома урана. Именно этот элемент имеет нестабильное ядро и легче всего расщепляется под действием нейтронов. В результате распада ядра освобождаются новые нейтроны, которые, в свою очередь, расщепляют другие ядра атомов. Этот процесс превращается в цепную реакцию и освобождает огромное количество энергии, которая используется для превращения воды в пар, приводящий в движение турбину и электрогенератор. К сожалению, этот способ решения энергетической проблемы небезопасный, вместе с энергией атомных ядер происходит радиоактивное излучение, опасное для всех живых организмов. Поэтому защита с помощью специальных кожухов на таких электростанциях должна быть максимальной.

Мягкие энергии

По мнению ученых, решение энергетической проблемы в будущем за мягкими альтернативными видами энергии. Существуют такие формы, как энергия ветра, биоэнергия и солнечная энергия. Они не тратят полезные ископаемые и не вредят окружающей среде. Еще их называют возобновляемыми источниками энергии. До тех пор, пока существует жизнь на Земле, сила ветра, биоэнергия и солнечная энергия неисчерпаемы, а ископаемые источники в виде угля, газа и нефти когда-нибудь исчезнут.

Биоэнергия

Биоэнергия – энергия, которая вырабатывается из растений. Для животных и людей растения являются самым важным источником энергии и пищевым продуктом. Растения получают запас энергии непосредственно от Солнца, древесина – носитель возобновляемой биоэнергии. Но потребности нашего индустриального общества настолько велики, что вся древесина на планете сможет удовлетворить только небольшую ее часть, не решая проблемы энергетической. Во многих странах древесина выступает основным источником энергии. Неконтролируемая вырубка ведет к уменьшению количества деревьев, поскольку часто для их насаждений не хватает денег. В таком случае этот источник постепенно становится невозобновляемым, что станет одной из причин энергетической проблемы.

Альтернативным и перспективным методом получения энергии считается производство биогаза. Он формируется из разрушенных веществ животного и растительного мира при отсутствии контакта с воздухом. Сельские хозяйства, где собирается в виде отходов много биомассы, могут использовать для производства метана специальные установки биогаза. Работа таких установок не вредит окружающей среде, а их использование не требует никаких затрат. Решение энергетической и сырьевой проблемы именно в таких альтернативных источниках. Но, конечно, сначала они должны быть построены, а первые опыты всегда связаны с большими расходами. Интересный способ расходовать меньше бензин, например, нашли в Бразилии. Они производят биоспирт — жидкость, получаемую из брожения сахарного тростника и кукурузы. Этот алкоголь добавляется к обычному бензину. Таким образом, страна становится менее зависимой от импорта бензина.

Еще один пример использования биоэнергии представляют собой калифорнийские побережья. На морских фермах выращивается одна из разновидностей морских водорослей, которые ежедневно вырастают на полметра. Их также перерабатывают для получения бензина, а другие виды водорослей используют как сырье на тепловых электростанциях, уменьшая энергетическую и сырьевую проблему.

Энергия ветра

Ветер – один из традиционных источников энергии. Еще в VII веке до н. э. в Персии использовали ветряки, а в 1920 году в США впервые ветряк использовали для производства электроэнергии. Еще спустя 10 лет в Австрии и Баварии были построены ветряные установки, которые обеспечивали собственным электричеством целые местности.

Современные силовые установки производят электроэнергию. С помощью силы ветра движутся электрогенераторы, которые питают электросеть или же накапливают энергию в аккумуляторных батареях. По мнению специалистов, использование силы ветра имеет большое будущее, если человечество отдаст предпочтение развитию технологии альтернативной энергетики, а не атомной энергетике и использованию нефти как источника энергии.

Солнечная энергия

С точки зрения производства энергии, мы можем рассматривать Солнце как разновидность атомного реактора чрезвычайной мощности. Только миниатюрная частичка достигает Земли, но даже она дает возможность жизни. Можно ли превращать солнечную энергию непосредственно в электрическую? Да, это вполне возможно с помощью солнечных батарей. Уже сегодня везде, где ярко светит Солнце и потребности в электроэнергии небольшие, получают энергию непосредственно от Солнца. Солнечные батареи – это пластины, которые имеют два чрезвычайно тонких слоя. Один слой состоит из кремния, второй – из кремния и бора. Вместе с солнечным светом, который попадает на солнечную батарею, на ее внешний слой проникают фотоны – мельчайшие частички света, излучаемые Солнцем. Они приводят в движение электроны, перенося их во второй слой и, таким образом, вызывают электрическое напряжение. Перемещаемые электроны попадают в накопитель тока, затем — в электрические проводники. Таким образом, например, станции на солнечных батареях уже решают энергетическую проблему Дальнего Востока.

Солнечные батареи постоянно совершенствуются. Пока они еще очень дорогие, но надеемся, что в недалеком будущем они станут достаточно эффективными и дешевыми и смогут решить глобальную энергетическую проблему, удовлетворить значительную часть потребностей человечества в электроэнергии. Такие солнечные фермы сейчас находятся в нежилых краях из-за чрезвычайной жары. Перспективы использования солнечной энергии огромные, по мнению специалистов, если техника для производства водорода будет дальше развиваться, то накопленную в пустынных районах солнечную энергию можно будет доставлять в виде водорода к странам-потребителям.

Зачем беречь энергетические запасы?

Залежи нефти, угля и природного газа, образованные нашей планетой на протяжении миллионов лет, человечество тратит за несколько лет. Когда мы бездумно тратим эти запасы с увеличением добычи энергоносителей, мы обворовываем своих потомков.

Этим мы нарушаем баланс энергии на Земле, ведь соотношение полученной энергии и отдаваемой обратно в космос должно быть уравновешенным. Если же человечество уничтожает и сжигает энергетические запасы, то образуются газы, которые препятствуют возвращению в космос излишка солнечной энергии. Как результат, возникает глобальная энергетическая проблема — наша планета становится теплее, возникает явление, называемое парниковым эффектом. Парниковый эффект может настолько изменить мировой климат, что произойдет расширение пустынь, образуются опустошающие смерчи, растает лед на полюсах, значительно поднимется уровень моря, множество побережий будут залиты водой.

Кроме того, время истощения энергетических ресурсов уже пришло. Ученые бьют тревогу, доказывая, что энергетических ископаемых запасов хватит на несколько десятков лет, затем потребление энергии снизится и благосостояние человечества тоже. Решение проблемы в быстром переходе общества к разумному потреблению энергетических запасов и разработке новых альтернативных и безопасных методов добычи энергии.

Проблема энергетическая: пути решения

Проблема энергетическая рано или поздно настигает каждое государство на планете. Запасы недр Земли не бесконечны, поэтому планирование будущего является основной задачей исследовательских организаций. На данный момент человечество не придумало альтернативу основным ресурсам, необходимым для ведения жизнедеятельности.

Основная забота человечества

Проблема энергетическая затрагивает каждую ячейку общества. Основные цели использования природных ресурсов — это:

• обогрев жилья;
• транспортировка грузов;
• использование в промышленности.

Естественные источники энергии не могут в полном объёме перекрыть получаемый коэффициент полезного действия от угля, нефти, газа. Насущный вопрос экологичности переработки ископаемых в энергию также волнует все исследовательские сообщества.

Условия изменились

Проблема энергетическая сформировалась десятки лет назад после резкого роста потребления ресурсов, связанного с развитием автотранспортной промышленности.

Кризис разрастался, и были сделаны выводы, что запасов нефти хватит не более чем на 35 лет. Но это мнение поменялось после открытия новых месторождений. Развитие топливной промышленности привело к ухудшению экологии в мире, что породило появление новой проблемы: как сохранить растительность и животный мир.

Проблема энергетическая рассматривается не только как вопрос добычи и запасов ресурсов, но и как побочные эффекты от грязного производства топлива. Из-за желания обладать месторождениями между странами возникают конфликты, перерастающие в затяжную войну. Экономическая ситуация регионов зависит от метода добычи энергии, от доступа к ней, месту разработки и наполнения баз под хранение ресурсов.

Решение энергетической проблемы поможет улучшить ситуацию сразу в нескольких отраслях, что актуально для всех слоев населения. Владение основной частью ресурсов дает возможности для управления странами; здесь затрагивается интерес движения к глобализации экономики.

Варианты закрытия вопроса о топливном кризисе

Основные пути решения проблем уже изучены экономистами. Пока что не существует реально действующего ответа на этот вопрос. Все варианты выхода из топливного кризиса длительны и рассчитаны на сотни лет. Но постепенно человечество осознает необходимость кардинальных действий в направлении замены традиционных методов добычи энергии на экологичные и более полезные.

Проблемы энергетического развития будут расти с ростом технологичности производств и транспорта. В некоторых регионах уже наблюдается нехватка ресурсов в энергетической отрасли. Китай, к примеру, достиг предела в развитии энергетической промышленности, а Великобритания стремится сократить эту область для восстановления экологической обстановки.

Основная же тенденция развития энергетики в мире движется к наращиванию объема поставок энергии, что неизбежно ведет к кризису. Однако у стран, затронутых топливным кризисом 70-х годов, уже выработан механизм защиты от скачков в экономике. Предприняты глобальные меры по энергосбережению, дающие положительные результаты уже в настоящее время.

Экономия расхода топлива

Энергетический кризис частично решается за счет мер сбережения. Экономически подсчитано, что единица сэкономленного топлива дешевле на одну треть добытой из недр Земли. Поэтому на каждом предприятии нашей планеты введён режим оправданной экономии энергии. В результате такой подход ведёт к улучшению показателей.

Глобальная энергетическая проблема требует объединения исследовательских институтов всего мира. По результатам экономии расхода энергии в Великобритании экономические показатели повысились в 2 раза, а в США — в 2,5. В качестве альтернативных решений развивающиеся страны проводят действия, направленные на создание энергоемких производств.

Энергетическая и сырьевая проблема присутствует в более острой форме в развивающихся странах, где потребление энергии растёт с повышением уровня жизни. Развитые страны уже приспособились к меняющимся условиям и выработали механизм защиты от резких скачков спроса потребителей. Поэтому у них показатели расхода ресурсов оптимальные и меняются незначительно.

Трудности на пути сбережения ресурсов

При оценке энергозатрат учитывается целый комплекс энергетических проблем. Одной из главных является дешевизна нефти и газа, что мешает внедрению экологически чистых преобразователей естественной энергии (солнца, движения воды, ветра океана) в электрическую. Технологии вносят существенный вклад в энергосбережение. Учёные постоянно находятся в поиске более доступных и экономически выгодных способов выработки энергии. К таким относят электромобили, солнечные батареи, аккумуляторы, изготовленные из отходов.

Наиболее интересные для экономики идеи и изобретения уже получили одобрение со стороны жителей стран Германии, Швейцарии, Франции, Великобритании. Путём замещения переработки ископаемых экологически чистыми преобразователями энергии была решена проблема нехватки ресурсов. Говорить о мировом кризисе из-за ограниченных запасов ископаемых в настоящее время уже не приходится.

Варианты замещения энергий

Задачей исследовательских институтов на пути решения энергетической нехватки в определённых регионах является поиск варианта развития технологий, необходимых для регулирования дисбаланса ресурсов. Так, в пустыне лучше развивать добычу электричества из солнечных лучей, а в дождливых тропиках стараются использовать гидроэлектростанции.

Для сохранения экономических и экологических показателей на должном уровне в первую очередь стараются заменить использование первичных ресурсов: нефти и угля. Для общества более выгоден природный газ и другие альтернативные источники энергии.

Большинство преобразователей чистых энергий требует колоссальных материальных затрат на их внедрение в повседневную жизнь. К этому ещё не готовы развивающиеся страны. Частично проблема нехватки энергии решается равномерным расселением жителей мегаполисов по свободным территориям. Этот процесс должен сопровождаться постройкой новых экологичных станций по переработке естественных энергий в электричество, тепло.

Вред от первичных ресурсов

Основными угрозами для природы и человека являются добыча нефти на шельфе, выбросы продуктов сгорания в атмосферу, результаты химических и атомных реакций, открытая добыча угля. Эти процессы требуется вовсе прекратить, решением может стать развитие научной индустрии в отстающих регионах. Потребление ресурсов растёт с развитием общества, перенаселением местности и открытием мощных производств.

Решение энергетической проблемы

Решение энергетической проблемы

Уильям Шрайбер

Глобальное потепление в настоящее время почти повсеместно признается серьезной проблемой, вызванной деятельностью человека — в основном сжиганием ископаемого топлива, — которая требует принятия решительных мер как можно скорее. Прошлые события, такие как временный бойкот со стороны некоторых крупных производителей нефти в 70-х годах, показали, что у США также есть проблема национальной безопасности, связанная как с ценой, так и с доступностью одного из наших основных источников энергии.Эта записка предназначена как вклад в усилия по разработке комплексного решения всех аспектов энергетической проблемы.

Многие другие также признали различные аспекты проблемы и необходимость быстрого реагирования. Я обнаружил, что большинство специалистов в этой области не полностью определили проблему, но, тем не менее, у них есть несколько любимых решений, которые нужно искать исключительно.

Когда я давно начал свое инженерное образование, мне повезло, что у меня была опека опытных инженеров, а не ученых.Все они говорили (фактически проповедовали), что первым необходимым шагом в разработке решения в реальном мире было определение проблемы.

В чем проблема с энергией? Он состоит из нескольких частей.

В начале 70-х годов временный бойкот мирового рынка со стороны ОПЕК привел к резкому росту цен на нефть, поскольку нефть является наиболее распространенным источником энергии, используемым для производства тепла, производства, торговли, транспорта и жилищного строительства. (1) Способность крупных производителей нефти отказываться от поставок свидетельствует о важности энергетической независимости и цены.

(2) В последнее время глобальное потепление стало безошибочно важным в связи с повсеместным таянием льда, заметными изменениями климата и повышением уровня моря. В настоящее время почти все признают, что это вызвано парниковыми газами, в основном двуокисью углерода, которые образуются при сжигании ископаемых видов топлива, таких как нефть, уголь и природный газ. Некоторые выступают за атомные электростанции, но обращение с отработавшим ядерным топливом так же проблематично, как и парниковые газы, и для производства ядерного топлива необходимо использовать энергию.Отметим, что сейчас во всем мире наблюдается нехватка ядерного топлива.

Другие продвигают этанол, что является настолько плохой идеей, что трудно понять, как его использование стало таким широко распространенным.

Производство этанола потребляет почти столько же энергии, сколько дает, а его использование приводит к образованию парниковых газов. Теперь, когда только около 1% бензина заменено этанолом, некоторые производители кукурузы разбогатели, но многие производители домашних животных для производства продовольствия находятся в ужасном положении из-за непредвиденного роста цен на кукурузу.

Некоторые выступают за солнечную энергию, энергию ветра, гидроэлектростанцию, ядерную энергию, водородную энергию, метан из захороненных органических материалов и другие возобновляемые источники энергии, но до сих пор не было предложено ни одного решения, которое было бы доступным и полным. Цель данной статьи — предложить такое комплексное решение, для разработки которого требуются только ресурсы, которыми мы уже располагаем в изобилии.

Если каким-то чудом мы не найдем заменитель нефтяного топлива, который можно было бы использовать с той же технологией, которую мы используем сегодня, не требует энергии для производства, не имеет вредных остатков и не имеет неожиданных последствий (например, повышения цен на кукурузу) его принятие потребует восстановления всей нашей энергетической инфраструктуры.Это будет нелегко и дешево, но если мы надеемся сохранить Землю для наших потомков, у нас нет другого выбора, кроме как действовать сейчас. Это потребует отвлечения рабочей силы и средств от текущего использования. Если мы посмотрим, как сейчас используются эти ресурсы, военные приложения окажутся в самом верху списка. Многие из нас считают, что такие развлечения сделают наш мир лучше для жизни. Решения, конечно же, будут политическими, что выходит за рамки этой небольшой статьи.

Несмотря на высокую стоимость строительства, предлагаемая система, в которой не используются ископаемые виды топлива, должна быть дешевой в эксплуатации, поскольку топливо, которым является солнечный свет, не требует эксплуатационных затрат.

Некоторые предварительные мероприятия

Вся энергия, которую Земля хранит, и почти вся энергия, которую она получает каждый день, исходит от Солнца. Около 89 000 тераватт (1 ТВт = миллион миллионов (квадриллионов) ватт) приходится на Землю, в то время как общее потребление (в 2004 году) составляло всего 15 тераватт, из которых 87% приходилось на ископаемое топливо. Их использование вызывает большую часть глобального потепления, которое стало настолько очевидным. Если бы мы получали большую часть полезной энергии от Солнца, мы бы решили многие из наиболее важных проблем, включая цену и доступность нефти, а также (3) вредных побочных продуктов, связанных с использованием ядерной энергии и ископаемое топливо 900 18. (4) Опора на Солнце, а не на нефть, также позволит нам гораздо меньше участвовать в событиях на Ближнем Востоке. (Всем, кто не осознает, насколько это было бы выгодно, рекомендуется прочитать «Анналы национальной безопасности» Сеймура Херша в журнале The New Yorker от 5 марта 2007 г.)

Очистка нынешней атмосферы Земли от углекислого газа (и других парниковых газов, таких как водяной пар) — не одна из областей моей компетенции, но значительное снижение скорости, с которой мы увеличиваем ее, явно хорошая идея.(Возможно, мы обнаружим, что если мы перестанем добавлять эти газы в атмосферу, существующие нежелательные газы будут медленно рассеиваться.) Способ сделать это — перейти к электрической экономике, производя электричество из солнечного света, а затем заменяя столько же других топливо по возможности электричеством. С этим связаны затраты, но в большинстве случаев новые технологии не требуются. Единственная область, в которой это еще не полностью возможно, — это транспортировка, где требуются более качественные батареи (или их функциональные эквиваленты).К счастью, у нас все еще есть большой опыт в разработке новых технологий, несмотря на то, что мы теряем значительную часть наших производственных навыков. (В Массачусетском технологическом институте реализуется очень многообещающий проект батарей.)

В настоящее время солнечная энергия обвиняется в том, что она доступна только в ясные дни, в том, что для нее требуются дорогие солнечные элементы с ограниченной эффективностью и сроком службы, а также в связи с тем, что в густонаселенных районах, таких как города, недостаточно места для приемников. Это предложение сосредоточено на решении этих вопросов.

Основная идея

Когда я преподавал в Индии в 60-х годах, я узнал, что некоторые ирригационные насосы работают на солнечной энергии без использования каких-либо электрических компонентов.Небольшие коллекторы концентрировали солнечный свет в достаточной степени, чтобы производить пар достаточно высокой температуры и давления для работы водяных насосов. (Мотивировка заключалась в том, что хищение электрических компонентов, даже медного провода, было тогда проблемой в отдаленных районах, где часто располагалось оборудование.) Эта идея является одним из элементов предложения.

Другая [идея] состоит в том, чтобы собирать солнечный свет на больших управляемых фокусируемых зеркалах на геостационарной орбите, которые будут направлять отраженный свет на гораздо меньшие рецепторы на земле.

(Орбиты будут наклонены так, чтобы зеркала никогда не находились в тени земли.) Первоначально рецепторы будут расположены рядом с существующими гидроэлектростанциями, где насосы на солнечной энергии будут использоваться для перекачки воды в озеро ( s) за плотиной (ами) для хранения энергии. В НАСА у нас есть навыки для разработки таких устройств, как зеркала, и, возможно, даже есть деньги, если мы откажемся от таких проектов, как космическая станция, которые не приносят заметной пользы человечеству.Если первоначальные установки окажутся работоспособными, новые заводы можно будет построить в более удаленных местах.

Солнечная энергия, подобная той, что я видел в Индии, до сих пор в некоторой степени используется в США. Нагрев плавательных бассейнов, кажется, является самым большим применением. Некоторые из них используются для горячего водоснабжения, а некоторые — для отопления помещений. Многочисленные небольшие компании занимаются производством и продажей коллекторов и рецепторов для различных применений. То же самое и сегодня в Индии.

Детали

Орбитальные зеркала были бы, наверное, милей в диаметре.Они будут сконструированы как прозрачные надувные тонкие шары, одна из внутренних поверхностей которых будет алюминирована, чтобы обеспечить отражающую поверхность для требуемого вогнутого зеркала. Зеркала будут подниматься на орбиту в сложенном состоянии, при этом форма надутого материала определяется толщиной пластика или другого материала и давлением. Вполне вероятно, что сферических отражателей будет достаточно, а фокусное расстояние можно будет регулировать давлением, что позволит избежать высокой точности при их изготовлении.Спутники связи уже используют наклонные орбиты и имеют достаточно точные механизмы управления.

Обратите внимание: поскольку Солнце явно движется по небу, а зеркало, по-видимому, остается зафиксированным для наблюдателей на Земле, угол падения солнечного света на зеркало изменяется. Таким образом, зеркало необходимо постоянно перенаправлять. Это предпочтительно осуществляется путем использования обратной связи от небольших датчиков, расположенных по краю зеркала, к механизму управления спутником, несущим зеркало.Эти же датчики можно также использовать для регулировки фокусного расстояния вогнутого отражателя, регулируя давление воздуха внутри пластикового баллона так, чтобы падающий луч просто заполнял поверхность приемника.

На поверхность Земли приходящая солнечная радиация в ясную погоду в среднем составляет около 300 Вт / кв. метр, но он намного выше и почти постоянно над атмосферой. Измерения показывают, что «солнечная постоянная» составляет около 1366 Вт / кв. метр.

Отражатель диаметром около 5000 футов, таким образом, собирает около 3000 мегаватт, что сопоставимо с мощностью типичной наземной электростанции.

Я предполагаю, что коллекторы могут иметь диаметр 500 футов, но это необходимо проверить. Часть собранной энергии, которую могли бы получить коллекторы, зависит от погоды, а часть той, которая становится полезным теплом для производства пара и приводных насосов, еще предстоит выяснить.

Вблизи населенных пунктов, возможно, потребуется остановить передачу на ночь. По этим причинам важно хранить собранную энергию, что делает использование плотин, содержащих откачиваемую воду, жизненно важной частью этих систем.Также немаловажна возможность расфокусировать зеркала.

Одна из причин использования солнечной энергии непосредственно для производства пара и приводных насосов заключается в том, что солнечные электрические элементы не только дороги, но и не очень эффективны в преобразовании света в электричество и время от времени нуждаются в замене. В лучшем случае эффективность составляет около 20%, остальная часть световой энергии проявляется в виде тепла, что ограничивает интенсивность света, с которым можно справиться. При преобразовании поступающей энергии в пар такого ограничения нет, но, вероятно, есть некоторые ограничения из соображений безопасности.Однако эффективность наверняка выше, чем у солнечных батарей.

Космический мусор

В течение некоторого времени было известно, что тысячи обломков, некоторые из которых очень большие, но большинство очень маленькие, оставленные после предыдущих запусков, находятся на орбите вокруг Земли. Было обнаружено, что некоторые возвращенные объекты, такие как шаттлы, получили незначительные повреждения в результате столкновения с мелкими частями. Это вызывает у нас беспокойство, поскольку зеркала, которые мы предлагаем разместить на орбите, на самом деле довольно хрупкие.К счастью, почти весь космический мусор находится на гораздо более низкой орбите, где он в конечном итоге сгорит при входе в атмосферу Земли.

Есть два возможных подхода к решению этой проблемы. Один из них состоит в том, чтобы сделать зеркала менее хрупкими, отказавшись от использования воздушного шара и обеспечив конструкцию, поддерживающую зеркало правильной формы с одной поверхностью. Другой — обеспечить резервирование путем размещения двух или более зеркал на орбите для каждого места приема на земле. Подход с воздушным шаром очень привлекателен, потому что он позволяет управлять фокусом с помощью давления, а не создавать и затем размещать на орбите очень точное зеркало.

Хотя мне кажется, что подход с резервированием лучше, я предпочитаю оставить окончательные решения инженерам, которые будут делать фактический дизайн, надеюсь, от НАСА.

Другие мысли

Это предложение не обязательно должно быть единственной используемой схемой. Более высокая эффективность систем, сжигающих углеродсодержащее топливо, снизит, но не устранит загрязнение атмосферы. Также могут использоваться энергосберегающие, ветряные, приливные и любые другие схемы, в которых ископаемое или углеродсодержащее топливо не сжигается.У меня нет специальных знаний о водородных топливных элементах, кроме как отметить, что водяной пар также является парниковым газом. Кажется, что связывание углерода связано с новыми важными технологиями и не освобождает нас от хватки ОПЕК.

Список литературы

Многие из используемых здесь чисел взяты из Википедии «Мировые энергетические ресурсы и потребление». en.wikipedia.org/wiki/Energy:_world_resources_and_consuming

Эта статья также имеет очень хороший список дополнительных ссылок.Он хорошо написан и явно точен. Однако он использует слова «энергия» и «сила» как синонимы во многих случаях, к большому дискомфорту для технически подготовленных людей, таких как я. В этой статье я использовал эти два термина только в их техническом смысле. Мощность (типичная единица — ватт) — это скорость предоставления энергии (типичными единицами являются британские тепловые единицы — британские тепловые единицы или джоули).

.

Сохранение энергии — Физика

Сохранение энергии

Проблемы сохранения механической энергии связаны со скоростью объекта в разных положениях. Чтобы решить проблему с использованием функции сохранения энергии, вам необходимо знать, что либо нет значительных сил, забирающих энергию из системы, либо размер этих сил. Сохранение энергии не сообщает вам о времени, которое требуется для перехода между двумя позициями. Сохранение энергии также можно использовать для отслеживания тепловой энергии для систем, которые изменяют температуру.

Примеры проблем

• Определение и энергия

• Сохранение энергии

• Сохранение импульса

• Сохранение энергии и импульса

• Сохранение тепловой энергии

• Электричество и магнетизм

Как решать энергетические проблемы

• 1.Определите проблему

  Энергия никогда не создается и не уничтожается, хотя под действием силы она может изменить форму. Следовательно, идея сохранения энергии всегда применима . Но полезен только для решения проблемы, когда у вас достаточно информации для отслеживания изменений энергии. Вы можете отслеживать изменения механической энергии (проблемы, связанные с движением), если нет значительных неконсервативных сил или если вам предоставлена ​​адекватная информация об этих силах.

  Вы также можете использовать сохранение энергии в задачах тепловой энергии, если вас попросят связать изменения тепловой энергии с изменениями температуры внутри или с работой, выполняемой системой.

• 2. Нарисуйте картинку

  Проблемы с механической энергией требуют, чтобы вы соотносили скорость вашей системы в разных положениях. Поэтому наиболее полезное изображение — это набросок фактического движения со всей известной информацией о скорости и местоположении.

  Для проблем, связанных с тепловой энергией, происходят изменения в свойствах, которые нельзя хорошо прорисовать (например, температура), и поэтому изображение не всегда актуально для организации информации.

• 3. Выберите отношение

  Есть два способа начать проблему механической энергии. Первый — начать с уравнения

  KE ₁ + PE ₁ = KE ₂ + PE ₂ — W _nc

  и заполнить все соответствующие условия.Вы также можете начать с энергетической цепочки (отслеживать энергию по всей задаче) и написать член в своем уравнении для каждого члена в цепочке. Вы получите те же результаты.

  При проблемах с тепловой энергией вы часто начинаете с сохранения энергии, обозначенной как

  ΔQ = ΔU + W

  , хотя, опять же, энергетическая цепочка может быть полезна (особенно для задач, в которых вы смотрите на тепловую энергию, идущую от одной части системы к другой).

• 4.Решить проблему

  После того, как вы нарисовали свою картинку и выбрали отношение, решение задачи Сохранения Энергии — это просто вопрос алгебры. Энергия — это не вектор, хотя знаки несут значение, и их нельзя игнорировать.

  5. Анализируйте результаты

  Лучший способ понять, что происходит в энергетической проблеме, — это нарисовать энергетическую цепочку. Начните с формы (форм) энергии в начальной точке проблемы и отслеживайте эту энергию в каждой последующей точке интереса.Обязательно используйте стрелки в сторону, чтобы показать энергию, покидающую систему. Затем вы можете связать эту цепочку как с описанием проблемы, так и с уравнением, которое у вас есть после заполнения всех нулей. Как всегда, убедитесь, что ваш ответ имеет физический смысл.

———————————————— ————————————————— ————————————————— ————————————————— ——————————-

Как решить проблемы моментума

• 1.Определите проблему

  Как быстрое практическое правило, если ваша проблема включает столкновение двух объектов или разделение одной системы на части, то импульс объединенной системы всех объектов или частей сохраняется в течение времени столкновение или отрыв .

  Физика, лежащая в основе этого практического правила, исходит непосредственно из Второго закона Ньютона. Из 2-го закона видно, что изменение импульса (Δ p ) равно F _net Δt.Таким образом, если чистая сила в системе равна нулю или достаточно мала, чтобы F _net Δt ≈ 0 для интересующего периода времени, тогда Δ p ≈ 0 и импульс сохраняется. Столкновение или разделение имеют тенденцию происходить в течение очень короткого промежутка времени, поэтому для меньших сил, таких как трение и гравитация, обычно верно F Δt ≈ 0. Однако сила, вовлеченная в само столкновение или отрыв, велика. Эта сила компенсирует (Третий закон Ньютона) систему в целом, но, конечно, каждая часть ощущает силу и обычно имеет значительное изменение своего импульса.

• 2. Нарисуйте картинку

  В задачах сохранения импульса вы сравниваете импульс ( м v ) системы до и после столкновения или разделения. Следовательно, вы хотите нарисовать изображение системы непосредственно перед взаимодействием и другое изображение сразу после взаимодействия. Обозначьте информацию m и v для обоих. Поскольку скорость является вектором, не забудьте указать направление движения, а также скорость.

• 3.Выберите отношение

  Все проблемы сохранения импульса понимаются;

  p _{система до взаимодействия} = p _{система после взаимодействия}

  Для каждой части системы необходимо указать

  , а знаки даны в соответствии с направлением скорости.

• 4. Решите проблему

  Во многих случаях столкновения являются одномерными, и поэтому решение проблемы — всего лишь вопрос алгебры, если вы тщательно указали знаки скорости.Для двумерных задач вам нужно разделить импульсы на их x- и y-компоненты и решить каждое уравнение отдельно.

• 5. Анализируйте результаты

  Вы можете лучше всего понять проблемы инерции, отслеживая инерцию. Какие объекты ускорились? Откуда возник этот импульс? Который тормозил? Куда оно делось?

Помогите! Я не могу найти пример, который мне нужен для работы!

• Вы уверены, что ваша проблема — проблема энергии или импульса?

  Одна из самых распространенных ошибок — слишком много думать.Если вам сообщают скорость и спрашивают кинетическую энергию, например, вы не отслеживаете изменения энергии и вам не нужно проходить все этапы задачи закона сохранения. Проверьте задачи определения и соотношения, чтобы увидеть, сможете ли вы найти полезный пример.

  Также возможно, что вашу задачу лучше решить с помощью кинематики (описания движения). Это редко, поскольку энергия почти всегда проще, чем кинематика. Однако, если вас попросят время, у вас могут возникнуть проблемы с кинематикой.

• Да, моя проблема определенно проблема энергии или импульса.

  В таком случае подумайте шире о том, что является полезным примером. Помните, вы получили задание практиковать подход к решению проблем не потому, что ответы на ваши проблемы особенно интересны. Пример, в котором вы просто заменяете числами числа в задаче, даст вам возможность попрактиковаться в вводе чисел на калькуляторе, но ничего не научит вас физике, и, когда вы будете сдавать экзамен, каждая задача будет казаться вам новой и непохожей.Так что воспринимайте свой пример как поддержку, помогающую вам практиковать подход к решению проблем.

  и , каждая проблема энергии в этом разделе использует тот же подход, что и каждая проблема импульса. Это означает, что любая проблема в рамках этих категорий является подходящим примером, который поможет вам подойти к вашей проблеме. То, как вы ее решаете, определяет не внешний вид проблемы, а тип взаимодействия (в данном случае энергия или импульс), которые вам нужно учитывать.

  Тем не менее, разные ситуации требуют от вас решения разных побочных задач. Многие проблемы связаны с использованием как энергии, так и импульса, и существует множество типов вопросов в задачах тепловой энергии. Так что, если в вашей проблеме есть какая-либо из этих функций, вам может быть полезно выбрать пример, который также имеет. Но не волнуйтесь, вам не нужен (и не нужен) пример, который точно соответствовал бы вашей задаче!

.