МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) Политехнический институт Кафедра «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Способы сохранения энергии: тепловой, электрической, химической и энергии других видов (название темы реферата) по дисциплине «Общая энергетика» Вариант №18 Проверил: ст. преподаватель / Н.Ю. Аверина / (подпись) « » 2024 г. Выполнил: студент группы П-274 Шифр: ________________ / А.Т. Салихов / (подпись) « » 2024 г. Реферат защищен с оценкой ________________________ « Челябинск 2024 » 2024 г. АННОТАЦИЯ А.Т. Салихов, энергии: Способы тепловой, сохранения электрической, химической и энергии других видов. – Челябинск: ЮУрГУ, ПИ-274, 26с, 4 ил, библиогр. список – 6 наименований. Цель работы состоит в изучении способов сохранения энергии, а именно тепловой, электрической, химической, металлической и других видов. Задачи работы состоят в том, чтобы рассмотреть методы преобразования и сохранения тепловой энергии, охарактеризовать способы сохранения электрической энергии, описать особенности сбережения химической энергии, рассмотреть сохранение металлической и других видов энергии, а также сделать выводы по наиболее оптимальным вариантам сохранения энергии. Новизна работы заключается в том, что в ней предпринимается попытка охарактеризовать неотъемлемую и значимую задачу всех отраслей материального производства — сохранение энергетических ресурсов. Актуальность темы состоит в том, что новые методы, модифицированные установки и аппараты, новейшие технологии позволяют постепенно решать проблему энергосбережения. На всех действующих предприятиях всеми возможными мерами необходимо сокращать бесполезное рассеяние энергии. Рассмотрен процесс организации, проведения процесса сохранения основных видов энергии. Сделано заключение по наиболее актуальным вариантом сбережения энергии с точки зрения эффективности и результативности. 2 ОГЛАВЛЕНИЕ АННОТАЦИЯ .................................................................................................................. 2 ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 4 1. ОСОБЕННОСТИ СОХРАНЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ .................................. 6 2. СПОСОБЫ СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ................................ 8 2.1. ЭНЕРГИЯ ВЕТРА .................................................................................................. 10 2.2. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА ........................................................................................... 11 3. СОХРАНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ......................................................... 12 3.1 ОСОБЕННОСТИ СБЕРЕЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ........................ 13 3.2 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ....... 15 3.3 СБЕРЕЖЕНИЕ ЭНЕРГИИ В РЕЗЕРВУАРАХ СО СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ ... 16 3.4 БИОЭНЕРГЕТИКА ................................................................................................. 18 3.5. СОХРАНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ .............................................. 19 4. НОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ......................................................... 21 5. СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ..................................................................... 24 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................. 26 ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................................. 27 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ......................................................................... 29 3 ВВЕДЕНИЕ Оценка современного состояния проблемы. Традиционная энергетика основана на возможности не только производить энергию, но и делать ее запасы. При этом вопросы хранения энергии опережают вопросы ее производства. Например, запас воды в хранилище позволяет использовать ее в любое время для получения электроэнергии на гидроэлектростанциях, а запас угля обеспечивает бесперебойную работу тепловой электростанции. Актуальность работы. Проблема энергосбережения охватывает не только химические процессы, но и весь технологический цикл производства конечного продукта, включающий весьма важные стадии — добычу и первичную переработку природного сырья. Новые методы, модифицированные установки и аппараты, новейшие технологии позволяют постепенно решать проблему. энергосбережения. Конечно, на всех действующих предприятиях всеми возможными методами необходимо сокращать бесполезное рассеяние энергии: испарения, конденсации и т.д. Сохранение энергетических ресурсов – неотъемлемая и значимая задача всех отраслей материального производства. Цель работы состоит в изучении способов сохранения энергии, а именно тепловой, электрической, химической, металлической и других видов. Достижение цели работы предполагает решение ряда задач: 1) рассмотреть методы преобразования и сохранения тепловой энергии; 2) охарактеризовать способы сохранения электрической энергии; 3) описать особенности сбережения химической энергии; 4) рассмотреть сохранение металлической и других видов энергии. 4 В 50-е годы прошлого века произошло существенное качественное изменение в области энергопроизводства. Все предыдущие столетия люли более или менее опосредованным образом использовали энергию солнца. Энергия рек, приливов и отливов. энергия ветра. энергия ископаемых топлив. образовавшихся из древних растений — все эти виды энергии вторичны и являются порождением энергии солнца. Ядерная и, в близкой перспективе, термоядерная энергия, напротив, не связаны с энергией солнца. Запасы соответствующих видов топлива чрезвычайно велики и позволяют человечеству решить проблему первичного производства — энергии. Произведенную энергию необходимо доставить к потребителю, причем сделать это желательно наиболее экономичным и экологичным способом. Важно также уметь сохранять произведенную любыми способами энергию. Это необходимо как для организации ее рационального потребления, так и для последующего использования автономными потребителями, удаленными от распределительных сетей. Очевидно, например, что энергопотребление в ночное время невелико, в то же время снижать производство энергии по ночам не всегда возможно и целесообразно. 5 1. ОСОБЕННОСТИ СОХРАНЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ Тепловая энергия — «энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ. Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.)» [2. с. 46]. Важным видом энергии, которым человек пользуется на протяжении почти всей своей истории, является именно тепловая энергия. Возможности по преобразованию и использованию энергии являются показателем технического развития человечества. При использовании тепловой энергии пара в цепочки преобразования энергии появляется возможность использовать часть тепловой энергии для обогрева или нужд производства. Стремясь к улучшению жизненных условий и снижению воздействия на окружающую среду, необходимо найти методы ‚и, технологии, которые позволят: 1. Эффективно использовать энергию. Наши потребности в применении энергии в полезных целях должны удовлетворяться при минимальной бесполезной затрате. В качестве примеров можно привести: устранение утечек теплого воздуха из квартиры, использование энергоэффективных лампочек и сокращение использования горячей воды. 2. Выбирать источники энергии оптимального качества (не выше необходимого). Не следует использовать понапрасну энергию высокого качества. В тех случаях, когда возможно использовать энергию низкого качества (тепло), не следует расходовать энергию высокого качества (электричество). Но даже если мы следуем этим принципам, основанным на законах природы, необходимы дополнительные усилия по организации общества и нашей жизни устойчивым 6 образом. В этот процесс должны вовлекаться и общественные науки, и политика и общественное участие. 3. Организовать общество и жизнь устойчивым образом. Образ жизни в современном обществе должен развиваться в соответствии с вышеизложенными правилами. Организация общества, «включая законы и экономические рычаги. должна способствовать энергоэффективности, вторичной переработке материалов, развитию общественного транспорта и другим составляющим устойчивого образа жизни» [1, c. 134] Так, при повышении температуры воздуха в комнате всего на 1°С потребление тепловой энергии увеличится на 6%. Поэтому специалисты рекомендуют устанавливать на все радиаторы системы отопления термостатные вентили, которые позволяют регулировать температурный режим для жилых и нежилых помещений. Необходимо придерживаться оптимального режима проветривания. Постоянно открытое окно или форточка приводит к большим потерям тепла. Гораздо эффективнее полностью открыть окно на несколько минут, а затем плотно его закрыть. Чтобы в помещение было теплее совсем не обязательно включать электрические обогреватели. Прежде всего, необходимо регулярно выпускать из радиаторов скопившийся там воздух. который препятствует свободной циркуляции воды и снижает эффективность работы системы отопления. Не следует загораживать батареи отопления мебелью, шторами или декоративными экранами, так как из-за подобных препятствий в комнату не попадает до 20% тепла. Снижению потребления тепловой энергии способствует дополнительная термоизоляция ниш, в которых расположены батареи, и установка в них теплоотражающих экранов. Согласно расчётам, это позволяет сэкономить порядка 4% затрат на отопление. 7 Если батарея греет слабо, но постоянно предпочтительней алюминиевые сплавы, которые быстро нагреваются и так же быстро отдают тепло. Если батареи включают раз в сутки и ненадолго, лучше использовать массивное железо, которое будет нагреваться дольше, но так же долго остывать, поддерживая температуру в комнате. Знание простых способов экономии энергии поможет существенно снизить эксплуатационные платежи. В некоторых случаях достаточно придерживаться правил рационального энергопотребления, в других, как в случае с утеплением, вложить определённые средства. Однако, как показывает практика, эти затраты окупаются довольно быстро и обеспечивают не только экономию энергии и бюджета, но и комфортное проживание. 2. СПОСОБЫ СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ За свою историю человечество использовало для освещения все, что может гореть. После изобретения электрической лампочки и внедрения электросетей, электрический свет оказался наилучшим способом искусственного освещения. Освещение – это одно из тех применений энергии. где действительно стоит использовать высококачественную энергию электричества, но и здесь можно использовать дневной свет в комбинации с искусственным освещением. Лучшие умы человечества придумали множество способов экономного потребления энергии. Ученые «изобрели энергосберегающие лампы, потребляющие намного меньше электроэнергии, чем обычные, в магазине уже можно купить «умные» приборы, которые автоматически отключаются, если замечают, что про них давно забыли» [1, с. 146]. В домах сегодня все чаше устанавливают инфракрасные датчики движения, которые срабатывают и автоматически зажигают свет, когда ты входишь в помещение. и, гасят его, когда ты выходишь. 8 Экономить электричество помогают специальные светорегуляторы диммеры. Эти устройства устанавливаются вместо обычного выключателя и регулируют яркость ламп. Известно, что нагрузка на электрические сети в течение суток распределяется неравномерно. Утром, когда начинают работать предприятия, и вечером, когда люди возвращаются домой с работы, уровень потребляемой электроэнергии увеличивается в несколько раз, а ночью резко падает. Сэкономить энергию можно, если хотя бы часть бытовых приборов — например, стиральную или посудомоечную машину — включать поздно вечером. Также традиционные «лампы Ильича» расходуют до 95% на нагрев и только 5% на освещение. Компактные люминесцентные лампы устроены иначе, что позволяет экономить до 80% энергии при неизменной яркости освещения. Несмотря на то, что стоимость энергосберегающих ламп выше на 30 - 10%, срок их службы в среднем в 10-12 раз превышает жизненный цикл ламп накаливания. Залогом экономии служит и правильная эксплуатация бытовых электроприборов. Например, «заполненный на треть мешок пылесоса увеличивает расход энергии приблизительно на 40%, В свою очередь, при неполной загрузке автоматическая стиральная машина тратит 10-20% энергии впустую. То же самое можно сказать и о холодильнике, установленном поблизости от плиты, радиатора центрального отопления или обогревателя» [3, с. 51]. В холодное время года теплый воздух выходит через щели в деревянных оконных рамах. Поэтому их необходимо ликвидировать при помощи герметика, оконной замазки и самоклеящихся уплотнительных прокладок. Ещё более эффективной мерой является установка современных оконных систем, конструкция которых исключает возникновение щелей. Такие стеклопакеты имеют непрерывный контур уплотнения. плотно прилегающий к раме и препятствующий продуванию. 9 Снизить затраты на отопление можно установив в доме эффективное котельное оборудование. Сейчас всё большее распространение получают конденсационные котла, потребление газа которыми по сравнению с обычными снижено на 30%. Кстати, в ряде стран Европы, где проблемам энергетической эффективности уделяется повышенное внимание, «запрещено использование любого газового отопительного оборудования кроме конденсационного. Ограничения уже действуют в Бельгии и Великобритании, а в ближайшие несколько лет подобные запреты вступят в силу в Испании. Германии и Франции» [6. с. 183]. Наряду с обычными источниками энергии все шире используются, так называемые альтернативные источники, работающие от энергии солнца и ветра. Их достоинством является экологическая безопасность и доступность, а вот к недостаткам следует отнести непостоянство работы источников и нестабильность получения электрической энергии. Для нормальной работы электрической сети, основанной на использовании альтернативных источников энергии, необходим накопитель энергии, который бы делал ее запас, а затем позволял использовать для различных нужд. Именно эта задача в настоящее время является основной в вопросах развития альтернативной энергетики во всем мире. К слову сказать, пока настоящего прорыва в этой области нет, но различные технические решения позволяют говорить о положительной динамике. Рассмотрим некоторые проекты, вызвавшие наибольший интерес у энергетиков. 2.1. ЭНЕРГИЯ ВЕТРА Энергию ветра можно использовать при скорости ветра более 5 м. Потенциал энергии ветра в мире огромен. Теоретически эта энергия могла бы 10 удовлетворить все потребности Европы. Наибольшая доля (до 3%) в производстве электроэнергии ВЭС получена в 1993 году в Дании, ЕС поставила цель выработать 8 тыс. мВ ветровой электроэнергии, что составляет 1% потребности ЕС в электроэнергии. Потенциал ветровой энергии в РФ составляет 150 мВт. Расчеты показывают, что энергия ветра может позволить ежегодно производить 6.5-7.0 млрд. кВт·ч. Так, ветроэнергетические установки «ГРЦ-Вертикаль» (в соответствии с рисунком 1) являются одними из самых эффективных в мире. Они спроектированы, произведены и испытаны в различных климатических условиях группой Российских и Американских ученых. К достоинствам можно отнести «самораскрутку» на 3,5 м/с, плавную работу за счет смещения верхних лопастей относительно нижних на 60 градусов, оптимальный угол атаки лопастей. Одним из основных достоинств ротора считается, что данная конструкция ловит порывы ветра. То есть при замерах анемометра средняя скорость ветра может составить 3 м/с, а ротор ВЭУ будет крутиться так. как будто бы скорость ветра 6 м/сек» [1, с. 72]. 2.2. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА Гелиоэнергетика – изучение энергии от Солнца. Фотоэлектрогенераторы для прямого преобразования энергии излучения Солнца, собранные из большого числа последовательного и параллельного соединения элементов получили название солнечных батарей. В настоящее время финансируется создание отечественной установки на фотоэлементах. Создано опытное производство систем горячего водоснабжения, базирующееся на использовании солнечной энергии. Кроме того, в РФ организовано производство гелиосистем для нагрева воды. Специалисты 11 убеждены, что к 2060 году доля энергии Солнца превысит 50%. Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания. эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП является высокая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически 10-12%). По метеорологическим данным в России в среднем 250 дней в году пасмурных, 85 с переменной облачностью и 30 ясных, а среднегодовое поступление солнечной энергии на земную поверхность с учетом ночей и облачности составляет 243 кал на 1 см2 за сутки, что эквивалентно 2,8 кВтч/м2, а с учетом КПД преобразования для гелиоэлектричества 12% - 0,3 кВтч/м2. Для удовлетворения потребности республики в электроэнергии в объеме 45 млрд. кВтч потребуется 450 км2 гелиостатов, что при их стоимости 450 долларов США за м2 соответствует стоимости 202,5 млрд. долларов США без учета затрат на эксплуатацию синхронизаторов, строительно-монтажные работы. конструкции. кабели, системы управления. технические средств для обслуживания. Инфраструктуру и т.п. Учет перечисленных составляющих удвоит названную сумму. Основными направлениями использования энергии солнца будут гелиоводоподогреватели (ГВН) и различные гелиоустановки для интенсификации процессов сушки и подогрева воды в сельскохозяйственном производстве [1. с. 78] Считается, что отопление жилища за счёт солнечной энергии возможно только в жарких странах. близких к экватору. Однако это мнение ошибочно. По многолетним наблюдениям метеорологов на широте Москвы с апреля по сентябрь на квадратный метр поверхности падает 297600 МДж солнечной энергии. При завышенной норме энергопотребления на квадратный метр отапливаемого помещения 70 кВт·ч/год/м2 (для сравнения в Швеции норма 30-60 кВт·ч/год/м2) 12 годовое потребление энергии составит всего 25200 МДж. Таким образом, солнечной энергии вполне достаточно для отопления круглый год и для горячего водоснабжения летом. Экодом предлагаемой конструкции (в соответствии с рисунком 2) имеет скатную крышу выраженной южной ориентации, крыша покрыта сплошным водовоздушным солнечным коллектором. Под домом находится твердотельный суточный и сезонный тепловой аккумулятор. Такие аккумуляторы распространены в Швеции и Норвегии. Другая возможная конструкция - жидкостный аккумулятор внутри дома (15 тонн воды на 200 км2 жилой площади). Дом оборудован принудительной системой вентиляции, обеспечивающей воздухообмен и обогрев жилых помещений (основные технические решения запатентованы). Обязательной является система рекуперации тепла при вентиляции (энергосберегающие лампы, осветительные системы) позволяет экономить до 80% электроэнергии . Условие экономичного использования освещения - соответствие потребности в освещении и установленной осветительной техники. Целенаправленное местное освещение, несмотря на меньшую мощность ламп, обеспечит лучшую освещенность без нежелательной тени. 3. СОХРАНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 3.1 ОСОБЕННОСТИ СБЕРЕЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Химическая энергия – энергия, запасенная в атомах веществ, которая «высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами (энергия биохимических превращений). Например, энергия связи С-С в молекуле этилена - 612 кДж/моль» [6, с 194.] Химическая энергия выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горений топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. 13 Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 45%), но низкой емкостью. Потенциальная энергия, заключенная в пище или топливе, представляет собой химическую энергию, запасенную в этих веществах (скрытая энергия). К потенциальной энергии системы относится только та часть внутренней энергии, которая способна совершать работу. Мы постоянно наблюдаем превращение одного вида энергии в другой. Использование химических веществ в качестве непосредственных источников энергии началось в далекой древности. На сегодняшний день углерод и углеводороды являются наиболее распространенными «химическими хранителями» энергии. Нефте- и газопроводы, танкеры, бензовозы и т.п. доставляют углеводороды к самым разным потребителям. Затем различные виды энергопреобразующих устройств превращают химическую энергию реакции окисления (сгорания) топлива в электроэнергию (теплоэлектростанции), тепловую или механическую энергию (двигатели внутреннего сгорания). Эффективность такого превращения, увы невелика. Так, например, городской транспорт с бензиновым двигателем фактически имеет коэффициент полезного действия 10%20%. в то время как транспорт на электрических батареях (топливных элементах уже сегодня имеет КПД от 45 до 75%. Причина этого, отчасти, состоит в том, что в химических источниках тока (ХИТ) или в топливных элементах (ТЭ) химическая энергия веществ непосредственно превращается в электрическую: тогда как для двигателей внутреннего сгорания аналогичный процесс превращения является многостадийным. К большим потерям приводит потребление энергии в химической промышленности. Например, «энергетический КПД для процесса синтеза аммиака составляет 25-42%, хотя потребление энергии для такого процесса последние 50— 60 лет уменьшилось более чем м 50%. Для обычных способов получения винилхлорида он равен 12%, а для его синтеза для NO – всего лишь 5-6,5%. В 14 большинстве случаев высокотемпературные процессы сопровождаются потерями энергии до 60-70%» [2, с. 140]. Потери энергии в химическом производстве обуславливаются вполне объяснимыми объективными факторами, связанными с уровнем развития не только химических технологий, но и естествознания в целом. Однако есть и субъективные причины. Одна из них - очень часто разрабатываются методы превращения веществ с высоким процентом выхода конечной продукции без учета энергетической эффективности технологических процессов. В данной связи многие технологические процессы имеют сравнительно высокий процент выхода конечной продукции, но низкий энергетический КПД. Повышение энергетического КПД процессов и аппаратов — одна из важнейших задач совершенствования химической технологии. Возможны разные способы ее решения — улучшение условий химических реакций, уменьшение числа стадий технологического процесса, осуществление реакций при невысоких, т. е. обычных температур и давления, приближение химических процессов к биологическим и, наконец, разработка новых технологических приемов. 3.2 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ Одним из самых заманчивых, но труднодостижимых способов хранения энергии альтернативных источников является преобразование ее в обычные для человечества источники энергии, использовать которые можно в удобное время, а хранить бесконечно долго. Именно такую схему использовали ученые, немецкие ученые Общества Фраунгофера, предложившие получать при помощи энергии солнца метан и накапливать его, а затем использовать для получения электричества в обычных тепловых электростанциях. 15 Процесс основан на электролитической диссоциации воды при помощи дешевой энергии, получаемой от ветрогенераторов и солнечных батарей и не востребованной в данный момент потребителями. Затем водород взаимодействует с углекислым газом, в результате чего получается метан. Представим процесс схематически: Н2O => Н2+O2 H2+CO2 => CH4 При этом следует обратить внимание, что «в процессе участвует углекислый газ, что позволяет говорить о его значимости для экологического благополучия планеты» [4, с 97.] В настоящее время уже реализован пилотный проект, показавший хорошие результаты. Разработчики утверждают, что КПД процесса составляет не менее 60%, что позволяет говорить о его больших перспективах. При этом следует помнить, что на получение метана идет энергия, стоимость которой невелика, а других достойных способов ее аккумуляции и хранения пока нет. 3.3 СБЕРЕЖЕНИЕ ЭНЕРГИИ В РЕЗЕРВУАРАХ СО СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ Одним из самых интересных способов сохранения энергии является накопление ее в резервуарах со сжатым воздухом. Ёмкости для хранения сжатого воздуха могут иметь различный вид и находиться в любом месте. Одним из интересных технических решений является идея профессора Симуса Гарви (Великобритания) предложившего использовать для хранения сжатого воздуха прочные полиэтиленовые мешки, расположенные на поверхности 16 океана по соседству с находящимися там мощными ветрогенераторами (в соответствии с рисунком 3). В соответствии с его идеей такие ветрогенераторы не должны вырабатывать электроэнергию, а использоваться сразу для нагнетания воздуха в резервуары. В соответствии с его предложением лопасти ветряков следует делать пустыми внутри, установив в них специальный поршень. При изменении положения попасти поршень будет двигаться вниз, сжимая поступивший в свободное пространство воздух и выталкивая его в накопительный резервуар. При движении вверх лопасть вновь наполнится воздухом, а поршень опустится при этом вниз. Резервуары со сжатым воздухом можно легко транспортировать к месту выработки электроэнергии. По мнению специалистов американской компании «Magnum Energy НС» одним из самых перспективных способов хранения энергии является использование для того не просто сжатого, а сжиженного воздуха. Для этих пелей предполагается использовать хранилище для природного газа, переоборудованное под закачку воздуха» [1, с. 87]. Как и в предыдущих примерах, для получения сжатого воздуха предполагается использовать энергию, получаемую в период ее минимального потребления. В соответствии с этой идеей электростанция, работающая на энергии солнца, будет давать электрическую энергию, избыток которой будет направлен на обеспечение работы нагнетающих насосов, закачивающих воздух в подземное хранилище. При необходимости и недостатке электричества. Например, ночью или в пасмурную погоду, направлена на обеспечение работы турбин электростанции. 17 3.4 БИОЭНЕРГЕТИКА Биоэнергетика — энергетика, основанная на использовании биотоплива. Она включает использование растительных отходов, искусственное выращивание биомассы и получение биогаза. Биогаз — смесь горючих газов, образующихся в процессе биологического разложения биомассы. Способы получения биогаза известны с 1985г. Источники биомассы, характерные для России могут быть разделены на несколько основных групп: - продукты естественной вегетации (древесина, торф); - отходы жизнедеятельности людей, включая производственную деятельность - отходы сельскохозяйственного производства - специально выращиваемые высокоурожайные агрокультуры [1, с. 89]. В настоящее время использование биомассы в Китае дает более 6% всей потребляемой тепловой энергии, в США 6%, в страны ЕС 3-7%. К настоящему времени на свалках скопилось столько отходов, что если из перевести в нефтяной эквивалент, то получится 600 – 700 тыс. т. нефти в год. Использование технологий производства жидкого биотоплива (рапс, спирты) может решить проблему обеспечения топливом транспорта и увеличить использование биомассы в топливном балансе страны (в соответствии с рисунком 4). Для нормальной работы электростанции понадобится 1,7 млн. тонн навоза в год, 47 ферм (это примерно 3600 голов рогатого скота) будут поставлять навоз для электростанции на газе биологического происхождения. 18 Теплоэлектростанции, работающие на газе, полученном из биологических отходов и других видах вторичного сырья имеются в Дании и Германии. В последнее время все большее влияние на жизни людей оказывает экологическое состояние окружающей среды. Специалисты в самых различных областях отмечают угрожающий рост проблем, связанных с неэффективными и неэкологичными способами производства энергии. Все это, несомненно, должна учитывать энергетическая инфраструктура ХХI века. 3.5. СОХРАНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Известен способ выделения энергии связи из таких металлических материалов, как железо, а также «изменение эффективности взрыва при ударе металлического тела о твердую преграду, который демонстрируется нам самой природой» [4, с. 102]. Более половины числа метеоритов, падающих на землю, имеет кристаллическую структуру с металлической связью. Известен способ получения энергии из металлических материалов при механическом взрыве металлических снарядов, изготовленных из металла с максимальной атомной массой и минимальной энергией связи, например, из вольфрама, железа, урана. Известен также способ выделения энергии из металлических материалов. при электрическом взрыве твердых металлических пленок, например, из алюминия, мели, никеля, титана, олова и вольфрама. Свинец, как материал для боеприпасов имеет наиболее длительную историю по сравнению с остальными металлами. До тех пор, пока свинец, применяемый для стрелкового оружия, поражал мягкие мишени, за ним не замечалось дополнительных свойств, кроме проникающей способности. Однако при стрельбе свинцовой ружейной пулей по твердой 19-мм алюминиевой плите (вероятно. материалом плиты служил алюминиевый сплав. 19 твердость которого не уступает стали) наблюдались явления, связанные с превращением материи и с выделением энергии в иной форме, чем тепловая. При ударе возникала световая вспышка между свинцовой пулей и мишенью, когда сама мишень не успела еще деформироваться. Известно, что при ударе свинцовой ружейной пули о преграду возможны два типа результатов соударения. Если преграда мягкая, например биологическая ткань, дерево или кость, то пуля оставляет в ней проникающее отверстие. Если преграда сделана из твердого металла, то происходит превращение материи: свинец превращается в световое излучение. Другим явлением, сопровождающим удар свинца о твердую преграду, является выделение энергии, вызывающее свечение большого объема окружающей среды. Пуля, как обычно, пробивает твердую мишень, но возникшее свечение является дополнительным поражающим фактором, повышающим эффективность действия пули при ударе свинца о твердую мишень. Современные боеприпасы используют обедненный уран для поражения прочных целей. В способе получения энергии из металлических материалов, путем взрыва металлического снаряда вследствие его удара о твердую мишень, бомбардируют твердую мишень снарядом из металла со скоростью v в момент встречи с мишенью. Для вычисления скорости определяют экспериментально коэффициент эффективности удара. Как показывает опыт, у железных или стальных снарядов этот коэффициент равен = 0.19; у свинцовых = 0.25; у урановых = 0,86 [4. с. 102]. В России наибольшую долю энергии потребляет промышленность. То, что она производит, в большой степени используется другими предприятиями для производства товаров, которые потребляются населением или экспортируются 20 за границу. Потребление товаров формируя плана долю нашего общего энергопотребления. Существует несколько способов снизить расход энергии в промышленности. Один из них – переход на выпуск менее энергоёмкой продукции. Иногда можно избежать покупки новой вещи, починив старую. Наиболее энергоэффективным решением является «использование имеющихся вещей. Если вещь стала негодной для использования, сохраняется возможность использовать те материалы, из которых она сделана. Вторичное использование для многих материалов является отличным способом уменьшения свалок и сбережения энергии» [5, с. 78]. Производство металлов всех видов является очень энергоёмким, но их вторичная переработка может быть осуществлена с гораздо меньшими затратами энергии. Можно переработать 20 кг алюминия, затратив то же количество энергии, что требуется для производства 1 кг аллюминия. Если наилучшие. с точки зрения окружающей среды, альтернативы (вторичное использование и переработка) невозможны, то можно обсудить возможность сжигания с целью производства тепла. Но сжигание мусора часто сильно загрязняет окружающую среду. Никогда не следует сжигать смешанный мусор. Нужно соответствующим образом сортировать мусор, чтобы не отравить все вокруг, и сжигать мусор только в специальном оборудовании. 4. НОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА Человечество непосредственно подошло к новому этапу своей истории, связанному с изменением структуры производства, распределения, хранения, а также способов преобразования энергии. Новая энергетическая инфраструктура 21 будет построена с учетом направлений развития и потребностей человечества, и, в числе других, будет учитывать следующие соображения: 1. Углерод и его производные не являются оптимальным топливом как с точки зрения энергосодержания, так и с точки зрения возможности активного преобразования заключенной в них химической энергии в другие виды, включая электроэнергию. Их использование, исторически обусловленное наличием больших природных запасов ископаемого топлива, создает значительные экологические проблемы. Запасы жидких и газообразных углеводородов, по-видимому, могут быть исчерпаны уже в ХХI веке. 2. Производимая энергия может тем или иным способом аккумулироваться в химических веществах — «хранителях энергии». Веществами, наиболее эффективными с точки зрения энергоемкости (в расчете на единицу массы) являются водород и некоторые активные металлы — литий, магний, алюминий. При этом в цикле получения энергоносителя водород легко может быть получен из воды, запасы которой практически неисчерпаемы, а при сгорании (в цикле производства энергии) вновь образует воду — экологически безопасное вещество. 3. При современном уровне развития техники может быть организован транспорт водорода от мест производства к местам потребления, что позволит в значительной степени заменить транспорт электроэнергии по проводам на распределение водорода посредством системы «водородопроводов». Приход «водородной» энергетики на смену углеводородной вызовет серьезнейшее изменение всей инфраструктуры большой и малой энергетики. 4. Непосредственное превращение химической энергии веществ (точнее энергии химических реакций) в электрическую является одним из наиболее эффективных способов производства электроэнергии. 22 5. Реализация нового энергетического пути требует не только использования подходящих носителей энергии (энергоемких, активных, способных к обратимому превращению), но и наличие эффективных электрохимических преобразователей энергии [6. с. 236]. Использование химических веществ в качестве непосредственных источников энергии началось в далекой древности. На сегодняшний лень углерод и углеводороды являются наиболее распространенными химическими хранителями энергии. Нефте- и газопроводы. танкеры. бензовозы и т.п. доставляют углеводороды к самым разным потребителям. Повышение энергетического КПД процессов и аппаратов — одна из важнейших задач совершенствования химической технологии. Возможны разные способы ее решения — улучшение условий химических реакций, уменьшение числа стадий технологического процесса, осуществление реакций при невысоких, т. е. обычных температурах и давлениях, приближение химических процессов к биологическим и, наконец, разработка новых технологических приемов. Известен способ выделения энергии из таких металлических материалов, как железо, а также изменения эффективности взрыва при ударе металлического тела о твердую преграду, который демонстрируется нам самой природой. Более половины числа метеоритов, падающих на землю, имеет кристаллическую структуру с металлической связью. В России наибольшую долю энергии потребляет промышленность. То, что она производит, в большой степени используется другими предприятиями для производства товаров, которые потребляются населением или экспортируются за границу. Потребление товаров формирует значительную долю нашего общего энергопотребления. Существует несколько способов снизить расход энергии в промышленности. Один из них - переход на выпуск менее энергоемкой продукции. 23 5. СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В данной работе я исследовал, как различные материалы изоляции влияют на сохранение тепла в здании. Сравнил теплопроводность различных изоляционных материалов, таких как минеральная вата, пенополистирол и эковата. Минеральная вата. Это популярный изоляционный материал, состоящий из волокон, полученных из расплавленных минералов. Она обладает хорошей теплои звукоизоляцией, негорюча и устойчива к влаге. Теплопроводность минеральной ваты составляет примерно 0.035-0.040 В/м·К, что делает её эффективным изолятором. Пенополистирол. Этот легкий и жесткий пенопласт широко используется в строительстве. Он имеет низкую теплопроводность, около 0.032-0.038 В/м·К и хорошо сопротивляется влаге, но может быть менее устойчив к огню по сравнению с минеральной ватой. Эковата. Производится из переработанной бумаги и является экологически чистым вариантом. Её теплопроводность составляет около 0.040-0.044 В/м·К что сопоставимо с минеральной ватой, но она может быть более подвержена воздействию влаги. Также была проанализирована эффективность использования светодиодных ламп по сравнению с традиционными лампами накаливания. Измерено потребление энергии и световая отдача обоих типов ламп. Светодиодные лампы. Они потребляют меньше энергии и имеют более длительный срок службы, что снижает общие затраты на освещение. Световая отдача светодиодов может достигать 100 лм/Вт и выше, что делает их идеальными для энергоэффективного освещения. Лампы накаливания. Хотя они дешевле в начальной покупке, они потребляют больше энергии и имеют короткий срок службы. Их световая отдача обычно не 24 превышает 15 лм/Вт что делает их менее предпочтительными с точки зрения энергоэффективности. Было изучено как различные методы хранения водорода (например, металлогидриды, жидкий водород, сжатый газ) влияют на эффективность и безопасность его использования в качестве топлива. Металлогидриды. Они позволяют хранить водород при относительно низком давлении, но требуют тепла для высвобождения газа. Это может быть неэффективно. Жидкий водород. Хранение водорода в жидком состоянии обеспечивает высокую плотность энергии, но требует крайне низких температур, что может быть сложно и дорого в реализации. Сжатый газ. Это наиболее распространенный метод хранения водорода. Он прост в использовании, но имеет более низкую плотность энергии по сравнению с другими методами. Основываясь на этих исследованиях, можно сделать следующие выводы. Использование изоляционных материалов, таких как минеральная вата, пенополистирол и эковата, является ключевым фактором в уменьшении энергопотребления зданий. Эти материалы помогают сохранять тепло внутри помещений, что приводит к снижению затрат на отопление и охлаждение. Светодиодные лампы значительно более энергоэффективны по сравнению с лампами накаливания. Они обеспечивают большую световую отдачу при меньшем энергопотреблении и имеют более длительный срок службы, что делает их предпочтительным выбором для сокращения энергозатрат на освещение. Различные методы хранения водорода, включая металлогидриды, жидкий водород и сжатый газ, имеют свои преимущества и недостатки. Выбор метода хранения зависит от конкретных требований к плотности энергии, безопасности и экономической эффективности. 25 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Рассматривая различные возможности энергосбережения, мы обнаружим огромные возможности в этом направлении. Энергосбережение возможно повсюду и с помошью множества различных мер. Это меры. которые зависят от личной осведомленности человека и его участия. Многие из них не требуют никаких инвестиций и зависят исключительно от поведения. Другие меры требуют незначительных инвестиций для отладки и усовершенствования используемых технологий. Рассмотрение различных способов сохранения энергии подчеркивает важность инноваций и эффективности в использовании ресурсов. Тепловая энергия может быть сохранена через улучшенную изоляцию и рекуперацию тепла, в то время как электрическая энергия может быть эффективно распределена с помощью смарт-сетей и хранена с использованием аккумуляторов нового поколения. Химическая энергия, сохраняемая в биотопливе и водороде, открывает новые горизонты для транспорта и промышленности. Кроме того, возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая энергия, предоставляют возможности для долгосрочного и устойчивого энергоснабжения. Эффективное управление и сохранение энергии всех видов не только снижает экологический ущерб, но и способствует экономическому росту и социальному благополучию, подчеркивая необходимость глобального сотрудничества и инновационного подхода в этой области. 26 ПРИЛОЖЕНИЕ Рисунок 1. ГРЦ-Вертикаль. Рисунок 2. Экодом 27 Рисунок 3. Резервуар со сжатым воздухом Рисунок 4. Теплоэлектростанция на биологических отходах 28 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Безруких П.П, Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива, 2009 г., 272 с. 2. Быстрицкий Г.Ф. Основы энергетики, 2008. – 278 с. 3. Елистратов В. В., Исследование возобновляемой энергии. – 224 с. 4. Кишкинцев В.А. Новое в природе электростатических сил. 2011, – 104 с. 5. Матвеев А.С. Тепловые и атомные электрические станции. - 190 с 6. Трухний А.Д. Основы современной энергетики. Том 1. Современная теплоэнергетика. – 472 с. 29
