Джерела енергії
Тема уроку № 12 Джерела енергії
План
Біопаливо
Геотермальна енергія
Біопаливо
Україна не може повністю забезпечити себе енергоносіями, тож змушена велику
частину їх ввозити. Тільки на потреби автотранспорту щороку витрачається більше 12 млн.т.
бензину і 15 млн.т. дизельного пального. Найближчим часом ці потреби будуть, в основному,
забезпечуватися імпортною нафтовою сировиною.
Таке становище породжує залежність економіки України від країн-експортерів нафти
та газу і є загрозою для нашої енергетичної і національної безпеки. З кінця 90-х років XX
сторіччя і донині в Україні діє низка державних програм з пошуку і розробки
альтернативних видів моторного палива.
Є кілька видів моторного палива, які можна отримувати з біомаси, але
найефективнішими в світі визнані: біодизельне пальне, що містить 90% енергії нафтових
палив; етиловий спирт (етанол) - 50% їх енергії та метиловий спирт (метанол) - третю
частину їх енергії. В Україні за рахунок розвинутої спиртопереробної промисловості саме
паливний етанол має найбільший потенціал.
Джерела його отримання - трав'янисті рослини та деревина, відходи сільського господарства та деревообробної промисловості, а також побутове сміття практично невичерпні.
Воно є цілком сумісним з існуючими двигунами транспортних засобів і комерційних
паливних систем розподілу і споживання.
У ряді країн світу вже понад 15 років застосовують паливний спирт як домішку до
світлих нафтопродуктів. При використанні 6-12% домішки спирту до бензину немає потреби
змінювати конструкції двигунів автомобілів, збільшується октанове число моторного палива,
що веде до зменшення енергетичних витрат при його виробництві, на 4-5% збільшується
ККД двигуна та на третину зменшуються викиди шкідливих речовин в атмосферу.
Однією з перших використовувати біопаливо стала Бразилія. На сьогодні Бразилія
виробляє близько 45% (12 млрд. літрів на рік) екологічно чистого моторного палива з
власних сировинних ресурсів (цукрової тростини). Це майже 10 млн тонн спирту на рік.
У США також реалізується велика програма заміни бензинового пального етанолом,
який одержують шляхом переробки надлишків кукурудзи й інших зернових культур.
Використання спирту як пального запроваджено також у деяких європейських країнах,
зокрема, у Франції і Швеції.
Виробництво дизельного палива (біо-дизеля) - не менш перспективний напрямок
розв'язання проблеми кількості власного моторного палива в Україні.
Біодизельне паливо було відоме ще з початку минулого сторіччя, але ним знехтували
через наявність дешевого нафтового палива. Його отримують з різних видів олійних культур:
ріпак, конопля, соняшник, соя, пальма тощо.
Найприйнятнішим джерелом біодизеля в наших клімато-географічних умовах є
насіння ріпаку. Через значний вміст шкідливих для організму людини органічних сполук,
використання ріпакової олії в харчовій промисловості практично неможливе, але, завдяки
тому, що її середня теплотворна здатність (33,1 МДж/л) є лише трохи меншою, ніж у
дизельного палива (35,1 МДж/л), використання її як палива є доцільним і має велике
значення для паливно-енергетичної галузі. Гектар плантації оліїстого ріпака, при відповідних
врожаях, дає в середньому одну тонну біодизельного палива, що замінює одну тонну дизельного палива.
Побічний продукт виробничого процесу - гліцерол може використовуватися для
виробництва 3,5 тис. предметів споживання, включаючи гліцерин, продовольчі змішувачі та
нафтові мастила для машин, підсолоджуючі речовини, відновлювачі шкіри, токоферол
(вітамін Е), зволожувачі, добрива, безліч продуктів, що використовуються у харчовій
промисловості.
В Україні заплановано в ході розширення посівів ріпаку одержати 9 млн. тонн
рапсового насіння, що може забезпечити отримання майже З млн. тонн біодизельного палива
(75% потреби агропромислового комплексу держави). Але, завдяки здатності ріпака
пристосовуватись до різних агрокліматичних умов, посівні площі під нього можна значно
збільшити, що дозволить мати додаткові обсяги біодизельного палива.
Якомога ширше використання різних видів біопалива виправдане і необхідністю
захисту довкілля від транспортного забруднення. Автотранспорт в Україні характеризується
низькою ефективністю двигунів, витрата палива в яких в 1,4-1,5 раза перевищує світові
норми. Тому викид шкідливих речовин і парникових газів на один кілометр пробігу в Україні
значно вищий.
При застосуванні біопалива вдасться значно поліпшити ситуацію. Так, використання
біоетанолу в умовах міського циклу, зменшує викиди оксидів Нітрогену на 25-40%, карбону
(II) оксида - майже у півтора раза, вуглеводнів - на 15-20%. Біодизельне пальне дає на 50%)
менше часток вуглецю, ніж нафтодизельне паливо, а також меншу кількість сполук
нітрогену і карбону (II) оксида. Викиди сульфуру (IV) оксиду при його спалюванні у 100
разів менші, ніж дизельного. Тверді речовини, що викидаються при згорянні біодизельного
палива, на відміну від тих, що викидаються при згорянні нафтодизельного палива, не є
канцерогенними.
Підсумовуючи розділ, можемо сказати, що в міру зростання потреб в енергії, з одного
боку, і виснаження ресурсів викопного палива, з іншого, біомаса може стати одним з
основних джерел сировини для хімічних виробництв і енергії.
Сторінки історії
Біопаливо відоме з початку минулого століття, але враховуючи низьку вартість
світлих нафтопродуктів, його майже не використовували. Перші автомобілі американського
промисловця Генрі Форда працювали на чистому спирті.
Подумайте і дайте відповідь
1. Як може зелене листя запасати і перетворювати енергію Сонця?
2. Що таке біоенергетика?
3. Чому біоенергію відносять до відновлюваних джерел енергії?
4. Що таке біомаса і як вона використовується для виробництва енергії?
5. Що таке піроліз?
6. Де можна використовувати біогаз?
7. Що може статися, коли з поверхні Землі зникнуть ліси?
Геотермальна енергія
Геотермальна енергія - це тепло Землі, яке переважно утворюється внаслідок розпаду
радіоактивних речовин у земній корі та мантії. Температура земної кори углиб підвищується
на 2,5-3 °С через кожні 100 м. (так званий геотермальний градієнт). Отже, на глибині 20 км
вона становить близько 500 °С, на глибині 50 км - порядку 700...800 °С, а в ядрі Землі -
близько 5000 °С. У певних місцях, особливо по краях тектонічних плит материків, а також у
так званих "гарячих точках", температурний градієнт вище майже в 10 разів, і тоді на глибині
500-1000 метрів температура порід сягає 300 °С. Однак і там, де температура земних порід не
така висока, геотермальних енергоресурсів цілком достатньо.
Усю природну теплоту, яка міститься в земній корі, можна розглядати як геотермальні
ресурси двох видів:
-пара, вода, газ;
-розігріті гірські породи.
Основним джерелом геотермальної енергії є постійний потік тепла з розжарених надр,
спрямований до поверхні землі. Цього тепла досить, аби подібно до печі постійно нагрівати
навколишню породу. Коли підземні води стикаються із цим теплом, вони теж нагріваються -
іноді до 371 °С.
Але утворення геотермальних ресурсів неможливе без наявності в гірських породах
достатньої кількості дрібних тріщин та порожнин, так званого геотермального резервуару, в
якому власне і формуються. Розміри резервуару бувають від кількох тисяч кубічних метрів
до кількох кубічних кілометрів.
Гідротермальні джерела енергії поділяються на термальні води, пароводяні суміші і
природну пару.
Для отримання теплоти, акумульованої в надрах землі, її спочатку треба підняти на
поверхню. Для цього бурять свердловини і, якщо вода досить гаряча, вона піднімається на
поверхню природним чином, за нижчої температури може знадобитися насос.
Геотермальні води - екологічно чисте джерело енергії, що постійно відновлюється.
Воно суттєво відрізняється від інших альтернативних джерел енергії тим, що його можна
використовувати незалежно від кліматичних умов і пори року. Геотермальні води
характеризуються багатьма факторами. Зокрема, за температурою вони поділяються на слабо термальні - до 40°С, високо термальні - 60-100°С та перегріті - понад 100°С. Вони різняться й за мінералізацією, кислотністю, газовим складом, тиском, глибиною залягання.
Геотермальну енергію можна перетворити на електричну або ж використати
безпосередньо у вигляді теплоти. Залежно від характеристики геотермальних ресурсів,
електрика виробляється в традиційних парових турбінах, куди надходять геотермальні води
при температурі щонайменше 150 °С, або на парових заводах.
Виходячи з наявних оцінок запасів геотермальної енергії, пріоритетними районами
для розвитку геотермальної енергетики є Керченський півострів, Закарпаття, Прикарпаття
(Львівська обл.), Донецька, Запорізька, Луганська, Полтавська, Харківська, Херсонська,
Чернігівська та інші області.
Найперспективнішим для видобутку високопотенційних геотермальних
енергоресурсів є Карпатський геотермічний район, який характеризується високим
геотермічним градієнтом і відповідно високими температурами гірських порід порівняно з
іншими регіонами України. Температура порід в свердловинах, пробурених в Карпатах, на
глибині 4 км сягає 210°С. Необхідні температури теплоносія для геотермальних
електростанцій знаходяться на значно менших глибинах (на 1 -1,5 км), ніж у інших
сприятливих місцях, де, за геологічними та геофізичним даними, на глибинах до 6 км. Так,
на території області в районі с. Залуж є унікальне місце площею 30 км, де на глибині 4 тис.м.
середня температура сухих порід +200 °С. Цих запасів вистачає для роботи невеликих геотермальних електричних станцій і тепличних агропромислових комплексів. Значні ресурси
геотермальної енергії має Крим, для якого найбільш перспективними є Тарханкутський і
Керченський півострови, де перепад температур менший і на глибині 3,5 - 4 км температура
гірських порід сягає 160-180 °С.
В Україні визначено шість пріоритетних напрямків розвитку геотермальної
енергетики:
• створення геотермальних станцій для теплопостачання міст, населених пунктів і
промислових об'єктів;
• створення геотермальних електростанцій;
• створення систем теплопостачання з підземними акумуляторами теплоти;
• створення сушильних установок;
• створення холодильних установок;
• створення схем геотермального теплопостачання теплиць.
Людина здавна використовувала природну гарячу воду протягом століть. Всесвітньо
відомі термальні джерела Чехії - Карлові Вари і Маріанські лазні - популярні протягом уже
500 років. На цих курортах термальні води, багаті мінеральними солями з кристалічних
скель, використовуються для лікувальних ванн і як питні. В промисловості геотермальні
води використовуються для миття вовни, сушіння деревини, виробництва паперу і бетонних
блоків, як джерело мінералів. У Франції, в районах Паризького й Аквитанського осадових
басейнів, гаряча вода температурою 45-85 °С надходить зі свердловин глибиною до 1800 м.
для обігріву 200 тис. будинків. Подібні басейни є в Бельгії, Німеччині, Данії, Нідерландах і
Англії. Використання тепла геотермальних вод - це найпростіший і найдоступніший спосіб
споживання геотермальної енергії. Для цього необхідно тільки пустити трубами
геотермальні води прийнятної для споживачів температури. Обігрівання геотермальними
водами широко застосовується в усьому світі для опалення лікарень і шкіл, житлових і
виробничих приміщень, теплиць та підігріву води в басейнах, а в Сибіру застосовується для
розтоплювання замерзлого ґрунту тощо. Оскільки геотермальна вода легко доступна, її
використання буде зростати швидкими темпами.
Це цікаво
Всередині Землі теплоти набагато більше, ніж можна було б добути її в ядерних
реакторах при розщепленні всіх земних запасів урану й торію. Якщо людство
використовуватиме тільки геотермальну енергію, мине 41 млн. років перш, ніж температура
надр Землі знизиться тільки на півградуса.
Подумайте і дайте відповідь
1. Що таке геотермальна енергія?
2. Як люди використовують геотермальну енергію?
3. Де в Україні містяться найбільші поклади геотермальних вод?
4. У чому полягають переваги роботи геотермальних електростанцій?
Сторінки історії
Електричну енергію з використанням геотермального резервуару сухої пари вперше
було отримано в 1904 році італійцем П. Джиноні Конті. Промислове освоєння геотермальних
ресурсів почалося після створення і запуску в Італії у 1916 р. геотермальної електростанції
потужністю 7,5 МВт із трьома турбінами фірми "Франко Тозі" потужністю по 2,5 МВт кожна. Перший резервуар гарячої води, використаний для виробництва електричної енергії, був
створений у Новій Зеландії у 50-тих роках XX століття. Перша комерційна геотермальна
електростанція в США почала виробляти електроенергію у 1960 р.
Екологічно вигідно
Геотермальні електростанції викидають дуже мало сульфуру оксидів порівняно з
тепловими станціями, що працюють на викопному паливі, і зовсім не викидають оксидів
нітрогену. Викиди С02 на сучасних геотермальних станціях мінімальні або відсутні. Типова
геотермальна станція продукує близько 0,45 кг С02 на МВттод; електростанція на
природному газі - 464 кг; електростанція на нафті - 720 кг, а вугільна ТЕС - 819 кг С02 на
МВт»год.
Геотермальні установки потребують невеликих ділянок землі, набагато менших, ніж
необхідні під енергетичні установки інших типів. Вони можуть розташовуватися практично
на будь-яких землях, включаючи сільськогосподарські угіддя. До того ж буріння
геотермальних свердловин набагато менше впливає на довкілля, ніж розробка будь-яких
інших джерел енергії. Ландшафт поряд з геотермальною установкою не псують ні шахти, ні
тунелі, ні гори відходів. Якби можна було використовувати лише 1 % геотермальної енергії
Земної кори (глибина 10 км), ми б мали у своєму розпорядженні кількість енергії, що у 500
разів перевищує всі світові запаси нафти і газу. Сукупний світовий потенціал геотермальної
енергії в земній корі на глибині до 10 км оцінюється в 18000 трлн. т у.п., що в 1700 разів
більше від світових геологічних запасів органічного палива. На даний час в світі діють 233
геотермальні електростанції (ГеоТЕС) загальною потужністю 5136 МВт. Протягом
найблищих років загальну потужність геотермальних електростанцій планується збільшити
як мінімум на 40%. Річний технічно-досяжний енергетичний потенціал геотермальної енергії
в Україні є еквівалентним 12 млн. т у.п., його використання дозволяє заощадити біля 10
млрд. м3 природного газу.
Завдання для самоконтролю:
Прочитайте тему та дайте відповіді на запитання