. Енергетика навколишнього середовища

13.08.2015

Енергетика навколишнього середовища

2.1. Енергія в навколишньому середовищі. Форми і види енергії

Навколишнє природне середовище пронизана енергією різних типів. Аж до неолітичної революції (20-10 тис. років тому) людина залишалася елементом біоценозу, а енергетика його господарства не виходила за рамки звичних біосферних перетворень. Створення виробничого господарства (землеробство, приручення тварин і скотарство) призвело до виникнення біосферних біогеохімічних і енергетичних циклів антропогенного характеру. Але тривалий час – до середини ХХ століття – господарська енергетика не викликала планетарних збурень природного середовища, оскільки переважало використання відновлюваної сонячної енергії. Ключовим фактором, що викликав такі збурення, стало широке використання викопного палива (спочатку вугілля, а потім нафти і природного газу), яке призвело до порушення біогеохімічного і термодинамічної рівноваги. Для його подолання необхідно повернутися до енергетиці, в якій переважають поновлювані джерела. Щоб осмислено рухатися в цьому напрямку, необхідно детальне знання природних енергетичних ресурсів, загальної величини, мінливості в часі і в просторі, щільності і потужності потоків енергії.

Форми і види енергії

Всі види енергії поділяють на потенційну (енергію спокою) і кінетичну (енергію руху).

Потенційна енергія — це «запасена енергія, яка потенційно може бути використана. Піднесена над рівниною гора, вода, яка утримується греблею, хімічна енергія молекул бензину, вуглеводів, білків і жирів їжі – все це приклади потенційної енергії. Кінетична енергія проявляється у діях і рухах тел. Вона залежить від швидкості руху і маси матеріальної точки. Так, кінетичною енергією володіють тече в руслі річки вода, рухомий потік повітря, падаючі при обвалі камені, рухомий потяг. За іншою класифікацією видів енергії розрізняють теплову, магнітну, променисту (електромагнітну), енергію хімічних зв’язків, в механічну, електростатичну і електродинамічну.

Теплота (теплова енергія) фіксує загальна кількість енергії рухомих атомів і молекул даної речовини. Теплова енергія передається декількома шляхами (Алексєєв, 1966):

1. Конвекцією (тобто перенесенням енергії з теплоносієм) – в повітрі і в воді, ймовірно також в магмі мантії і ядра Землі.

2. Кондуктивним шляхом (молекулярна теплопровідність) – у всіх речових середовищах. Але відносна частка кондуктивного перенесення в газоподібних і рідких середовищах приблизно на 3 порядки поступається ковективному переносу.

3. Прихованим шляхом – при фазових переходах речовини: при плавленні та/або випаровуванні тепло витрачається і як би на якийсь час зникає, при конденсації або затвердінні – вивільняється. Найбільше значення пов’язане з влагооборотом і циркуляцією тропосфери.

4. Геохімічним (та біогеохімічним) шляхом: багато реакції на земній поверхні є эндотермическими, тобто супроводжуються поглинанням енергії Поглинається тепло виділяється потім в інших умовах у процесі екзотермічних реакцій. Прикладом ендотермічної реакції є фотосинтез зелених рослин. Так само (енергетично) відбувається розчинення солей. Зрештою, і ці, і багато інших процеси акумулюють і переносять у просторі і/або в часі сонячну енергію.

Електромагнітна енергія – енергія, що передається у формі електромагнітних хвиль. Основним джерелом електромагнітної енергії на Землі є Сонце. Але всі земні об’єкти також випромінюють електромагнітну енергію, тільки в інших діапазонах хвиль. Будь-яке тіло, що має температуру вище 0° До (тобто вище мінус 273° С), що випромінює електромагнітну енергію відповідно до законів Стефана-Больцмана і Віна. Відповідно до закону Стефана-Больцмана кількість випромінюваної енергії відповідає 4-го ступеня абсолютної температури поверхні випромінювача, а згідно із законом Вина довжина хвилі випромінювання зворотно пропорційна до температури випромінюючої поверхні.

Енергія хімічних зв’язків – енергія, пов’язана в процесах хімічних реакцій фотосинтезу в зелених рослинах.

Магнітна енергія. Земля володіє магнітним полем, яке створює навколо неї магнітосферу. У ній рух заряджених частинок (корпускул) відповідає структурі магнітних силових ліній. Магнітосфера має глобальне екологічне значення: захищає земну поверхню від потоку сонячного вітру, згубного для більшості живих організмів. Але, поряд з цим, вона має енергетичне значення. Завдяки їй виникає електризація рухомих частинок повітря і води, що формують електромагнітне поле Землі. У свою чергу, руху провідників в цьому полі генерують електричний струм. Воно має також інформаційну складову, яка використовується, зокрема, тваринами.

Електричне поле Землі існує у всіх середовищах, що складають географічну оболонку. Телуричні (т. е. земні) струми природного походження захоплюють великі області земної кори та океанської товщі, характерні розміри яких близько сотень і тисяч квадратних кілометрів. Головною причиною їх утворення вважають зміну інтенсивності сонячної радіації, що створює в атмосфері, гідросфері та літосфері змінне електромагнітне поле. Величина щільності телуричних струмів зростає під час магнітних збурень і магнітних бур.

Механічна енергія – енергія рухомих макросистем (повітряні маси, руслові потоки, рух льоду тощо). Механічна енергія великою мірою проявляється у зв’язку з дією закону всесвітнього тяжіння, тобто в гравітаційних взаємодіях. Всі тіла у біосфері знаходяться в гравітаційному полі Землі, тобто в полі сили тяжіння. Силові лінії цього поля спрямовані зверху вниз, що визначає утримання у Землі атмосфери. Поле сили тяжіння є причиною прояву изостазии (явище врівноваження літосферних плит, брил материкових льодів), а також гравітаційної диференціації речовини.

Перетворення, зберігання і перенесення енергії

Всі потенційні види енергії є природними сховищами енергії. Енергія одного виду може перетворюватися в інші види енергії. Наприклад, сонячна енергія перетворюється в теплову, а потім в енергію вітру, енергію падаючої і поточної води (гідроенергія), інша частина спектру сонячної енергії — в енергію біомаси (сонячна енергія, перетворена в деревах та інших рослинах в хімічну форму). Горючі корисні копалини – це теж сховища вторинної сонячної енергії, сконцентрованої біосферою в минулі геологічні епохи.

Якість енергії в технологічному сенсі

В техніці енергія розрізняється за якістю, або здатності здійснювати корисну роботу, а також за концентрації. Якість енергії — це міра її ефективності. Енергія високої якості характеризується більшим ступенем впорядкованості, або концентрації, а отже, високою здатністю виробляти корисну роботу і володіє низькою ентропією. Якість енергії визначається також її здатністю переходити в інші форми і питомою роботою, яку вона може виробляти. Концентрація енергії є результат великих витрат енергії більш низької якості.

Для освітлення приміщень, забезпечення роботи електродвигунів та електронні прилади, руху автомобіль, необхідна концентрована електрична енергія. Однак для опалення житлових та інших приміщень, для прийняття душу потрібно низькотемпературне тепло (менш 100° С). На жаль, багато носії енергії високої якості, такі, як високотемпературне тепло, електрика, бензин, газоподібний водень, а також концентрована сонячна енергія в природних умовах не зустрічаються. Для того щоб справити, сконцентрувати, зберегти енергоносії або підвищити їх якість, зробивши придатними для виконання певних завдань, ми повинні використовувати інші носії високоякісної енергії, як, наприклад, ядерну або викопне паливо або деревину.

Енергетична ефективність. Р. Е. і Одумы (1978, с. 132) вводять поняття коефіцієнта енергетичної ефективності: він дорівнює відношенню виробленої енергії до кількості високоякісної енергії, поверненої процеси виробництва.

Історія людських суспільств з точки зору використання енергії є історія постійного «обходу» природних закономірностей: прагнення до високої концентрації (максимум — в ядерних зарядах), збільшення вкладу енергії на одиницю продукції за рахунок вилучення порядку із зовнішнього середовища. Прагнення використовувати викопні джерела енергії – це ні що інше, як посягання на запаси негентропії, накопичені біосферою за тривалу історію. Перехід від використання поновлюваних джерел до поновлюваних – це засіб «м’яко» увійти в систему Природи, відчужуючи деяку частину потоку негентропії в людських цілях. У цьому сенсі людська стратегія мало відрізняється від стратегії екосистеми, оскільки остання так само націлена на відбирання максимальної кількості енергії задля самовдосконалення своєї структури (негэнтропийный процес).

і Е. Р. Одумы (1978, с. 130) вводять поняття чистою корисної енергії, під якою розуміється енергія, що залишається, якщо з усієї виробленої енергії відняти витрати на її отримання.

У цілому види енергії можна порівнювати за наступними показниками:

— якості впорядкованості (у просторі і часі) і питомої здатності виконувати роботу;

— концентрації (щільності);

— здатності економічно перетворюватися в інші види енергії;

— швидкості перетворення в інші види енергії або вивільнення;

— можливості накопичуватися і зберігатися;

— можливості економічно передаватися на далекі відстані (в енергетиці – в першу чергу з допомогою технічних засобів).

Високоякісна енергія впорядкована, сконцентрована, володіє низькою ентропією. Її легко використати для виконання корисної роботи.

Низькоякісна розсіяна енергія і її важко або взагалі неможливо використати для виконання корисної роботи. Їй властиві невпорядкованість і мала здатність робити корисну роботу. Вона володіє високою ентропією. Приклад носія такої енергії — низькотемпературне тепло в повітрі навколо нас чи в річці, озері, океані. Наприклад, загальна кількість низькотемпературного тепла, що міститься у Світовому океані, значно перевищує кількість енергії високої якості, укладену в нафтових родовищах світу. Але тепло настільки розсіяно в океані, що може бути використане лише частково, наприклад, при створенні електростанцій, що використовують різниця температур поверхневих і глибинних шарів води в океані.

Але стосовно до природного енергетиці (енергетиці геосистем, екосистем і біосфери в цілому) використання таких понять, як корисна і даремна енергія, низькоякісна енергія, втрати енергії і т.д. неприйнятно, оскільки кожен вид енергії виконує певні необхідні функції. Необхідно сформулювати принцип незамінності всіх видів енергії в біосфері (геосистемах та екосистемах): всі види і форми енергії в біосфері виконують необхідні і незамінні функції. Покажемо це на прикладах. Для процесу фотосинтезу використовуються сонячні промені червоного і синього спектру. Енергія інших частин видимого сонячного світла, ультрафіолетових і інфрачервоних променів у процесі створення органічного речовини не використовується. Ерозійна діяльність здійснюється енергію рухомої води (водна ерозія) і потоків повітря (вітрова ерозія).

Горизонтальні і вертикальні рухи літосферних плит здійснюються завдяки теплової конвекції в астеносфері, але набагато більші за величиною (в тисячі разів) потоки сонячної енергії цією здатністю не володіють. Розсіювання в атмосфері і океані тепло (зазвичай зване в книгах як марно втрачається енергія) вкрай важливо для формування сталого теплового режиму, що забезпечує існування живих організмів. Можна уявити ситуацію, коли концентрація енергії в геосистемах була б значно вищою. Це неминуче супроводжувалося б різкими змінами температурного режиму, атмосферного тиску, швидкостей вітру. Повторюваність екстремальних природних процесів би різко збільшилася. Абсолютно ясно, що зростання загальної величини техногенної енергії (до чого ми йдемо по експоненті) веде саме до цього сценарію.

Принцип незамінності різних видів енергії в біосфері базується на принципі вибірковості: кожен процес у біосфері вимагає для свого здійснення енергії особливої форми та якості; заміна одного виду енергії іншим можлива в обмежених масштабах.

2.2. Перетворення сонячної енергії в біосфері (геосфере)

Геосфера-біосфера – це поверхнево-активна система, що утворилася на контакті Землі і Космосу, що характеризується реакційно-прикордонної анізотропією. Вона включає два основних типи об’єктів: відносно однорідні тіла (тверді, рідкі і газоподібні) і розділяють їх контактні (прикордонні) відносно вузькі зони (поверхні розділу). У відносно однорідних тілах виникають внутрішні межі розділу, тобто контактні зони другого, третього і т. д. порядку.

Будь-які прикордонні шари мають надмірної (порівняно з внутрішньою областю тіла) поверхневою енергією (різної природи і форми). Надлишкова енергія молекул, що виявляється в поверхневому натягу. Надлишкова потенційна енергія, ув’язнена в рельєфі поверхні океану і материків, пов’язана з відхиленням цього рельєфу від поверхні різного потенціалу сили тяжіння (геопотенциала).

Співвідношення різних видів енергії приводяться в таб. 2.1, енергетичних потоків – таб. 2.2.

Орієнтовні співвідношення різних потоків енергії, які надходять в географічну оболонку, Дж/(м2*с)

Сонячна (поглинена атмосферою і

земною поверхнею) 2,3*10 2

Космічних променів(2…3)*10 -6

Антропогенного виробництва 40*10 -3

Розпаду радіоактивних ізотопів 7*10 -3

Приливного тертя 3,5*10 -3

Окислення органічної речовини 0,4…0,6

Геотермальна теплова 0,1

Тектонічна п* 10 -3

Короткий опис статті: потенційна енергія

Джерело: » Енергетика навколишнього середовища

Також ви можете прочитати