Перш ніж розпочати пошук способів розумного споживання енергії,ми повинні з’ясувати, що ж таке енергія, чим вона вимірюється та яким законам підпорядковується.

Більшість учених-астрофізиків вважають,що наш Всесвіт виник близько 20 мільярдів років тому. Тоді вся енергія і маса були спресовані у дуже малому об’ємі, можна сказати, в одній точці. Енергія не могла втриматися у такому стані. У результаті відбувся так званий ВеликийВибух, і наш Всесвіт почав розширюватися. Потребидокладно вивчати зараз цю теорію немає, важливоте, що енергія існувала з самого початкуй існуватиме вічно. То що ж таке енергія? Це запитання так легко сформулювати і так важко дати на нього відповідь. Почнемо зтого, що енергія-це абстрактне поняття, яке запроваджене фізиками,щоб описувати єдинимитермінами різні явища, пов’язані з теплом і роботою.

Це дуже зручно, і тепер енергія є фундаментальним поняттям не тільки усіх природничих наук, а й усіх сфер життя.

Енергія (від грец. ενεργоς- діяльний) — загальна кількісна міра руху й взаємодії всіх видів матерії. Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного стану в інший (закон збереження енергії).Поняття енергії зв`язуєвсі явища природив одне ціле, є загальноюхарактеристикою стану фізичнихтіл та фізичних полів. Внаслідокіснування закону збереженняенергії поняття

«енергія» пов’язує всі явища природи.

Використання енергії.

З розвитком, людство споживало все більше і більше енергії. Припускають, що печерній людині вистачало близько 1% тієї кількості енергії,якої потребує сучасниймешканець Землі. Можливо,на Землі стало більше енергії?Ні! Просто вона стала доступнішою. Кількістьенергії в природінезмінна. Вона не виникає з нічого і не може зникнути нікуди.Вона просто переходить з однієї форми в іншу. Мабуть, не варто оглядатися на первісне суспільство, а от зазирнути у 60-ті роки XX ст., коли використовувалися ті ж джерела енергіїй суспільство було майже таким, як тепер, ми можемо.Виявляється, у ті часи людство споживало лише половину тієї енергії, яку споживає сьогодні! Розподіл енергії між країнами Півночі і Півдня, Сходу і Заходу, між багатими і бідними дуже нерівномірний. Як правило, країни, що розвиваються, мають більше населення при порівняно невисокому рівні споживання енергіїна чоловіка, тоді як у багатих розвинутих державах – ситуаціяпрямо протилежна. Незначнеспоживання енергії слаборозвинутими державами не можна вважати економією. Це наслідок боргової кризи та відсутності сучасних технологій одержанняі ефективного використання енергії.

В усі часи люди використовували й використовують багато енергії. Енергія необхідна для існування будь-якої з форм життя та усіх типів цивілізацій. Для нас енергія є засобом поліпшення якості життя. Енергія постійно комусь і для чогось потрібна. Люди постійно щось винаходять, щось придумують, а в цьому нам допомагаєенергія. Енергія черпає свої сили в кориснихкопалинах, воді, вітрі. Людина користується всім цим, але як? Дуже безвідповідально. Зараз лише за добу людина спалює стільки палива, скільки природа може синтезувати за 1000 років. Через недосконалість сучасних технологій з кожних 26 т різних мінералів, що добуваються щорічно з надр Землі, лише 520 кг складає корисний продукт, а інше? Тільки у Світовий океан у вигляді відходівщорічно скидається більше 2 мільйонитон свинцю, 5 тисяч тон ртуті, а заліза стільки, що було б достатньо для виробництва всієї сталі, виплавлюваної у світі. Таке безгосподарське використання запасів енергії завдає непоправної шкоди.

Енергія є основоюжиття людини, прогресивний розвиток людини пов'язаний з безпосереднім збільшенням використання енергії. Існує дві групи джерел енергії: відновлювані(енергія сонця, вітру, припливів, геотермальна енергія і т.д.) і невідновлювані ( мінеральне паливо, ядерна енергія).

Ефективне використання енергіїта стан навколишнього середовища є суттєвим для сталого розвитку як на світовому рівні, так і на рівні країни.

Близько 20% населення в індустріалізованій частині планети споживають 60% загальної кількості енергії, тоді як інші 80% мешканців країн, що розвиваються, використовують лише 40% загальної кількості енергії.

Види енергії.

Енергію в залежності від природи поділяють на такі види:

-механічна (кінетична і потенційна) енергія-проявляється при взаємодії, руху окремихтіл або часток;

-теплова енергія-енергія невпорядкованого руху і взаємодії молекул речовин;

-електрична енергія-енергія руху електронів у електричному колі;

-хімічна енергія-це енергія «накопичена» в атомах речовин, яка вивільняється або поглинається при хімічних реакціях між речовинами;

-магнітна енергія-енергія постійних магнітів,які мають великийзапас енергії, але віддають її не охоче;

-електромагнітна енергія-це енергія електромагнітних хвиль, тобто рухомих електричного і магнітного полів;

-ядерна енергія-це енергія, яка зосереджена в ядрах атомівтак званих радіоактивних речовин;

-гравітаційна енергія-це енергіяобумовлена взаємодією (притяганням) масивних тіл.

Сучасна наука не виключає існування й інших видів енергії, які поки що не зафіксовані та не порушуютьєдину наукову картинусвіту та поняттяпро енергію.

Поновлювальні джерела енергії.

Поновлювані джерела енергії– це ті, відновлення яких постійно здійснюється в природі, тому їх вистачить на мільйони чи навіть на мільярди років. Це, наприклад, сонячне випромінювання, вітер, біомаса, припливні хвилі чи термальніджерела. Але у кожному випадку,в разі застосування поновлюваних джерел енергії, зростання енергоспоживання наЗемлі не порушує загальної теплової рівноваги і не спричиняє загального потепління. Ми не змінюємо кількістьенергії, що надходить на Землю і йде з Землі. Перевагатаких джерел енергії–вони не завдають шкоди природі.

Згідно з класифікацією Міжнародного енергетичного агентствадо поновлюваних джерел енергії належатьтакі категорії:

поновлювані джерелаенергії (ПДЕ), які спалюються, і відходи біомаси:
тверда біомаса і тваринні продукти: біологічна маса, у тому числі будь-якіматеріали рослинного походження, що використовуються безпосередньо як паливо або перетворюються на інші форми перед спалюванням (деревина, рослинні відходий відходи тваринного походження; деревне вугілля, яке одержують з твердої біомаси);
газ/рідина з біомаси: біогаз, отриманийу процесі анаеробної ферментації біомаси і твердих відходів,який спалюється для виробництва електрики та тепла; муніципальнівідходи: матеріали, що спалюються для продукування теплової та електричної енергії(відходи житлового, комерційного і громадського секторів).

Утилізуються муніципальною владою з метою централізованого знищення:

промислові відходи: тверді й рідкі матеріали (наприклад, автомобільні покришки), що спалюються безпосередньо, зазвичай на спеціалізованих підприємствах, для виробництва теплової й електричної енергії;
гідроенергія: потенційна, або кінетична, енергіяводи, перетворена на електричну енергіюза допомогою гідроелектростанцій як великих, так і малих;
геотермальна енергія:теплова енергія, що надходить із земних надр, зазвичай у вигляді гарячоїводи або пари. Використовується для виробництва або безпосередньо як джерело тепла для систем теплопостачання, потреб сільського господарства тощо;
сонячна енергія: випромінювання Сонця, що використовується для одержання гарячоїводи й електричної енергії;
енергія вітру: кінетична енергія вітру, що застосовується для виробництва електроенергії у вітрових турбінах;
- енергіяприпливів, морських хвиль і океану:механічна енергія припливних потоків або хвиль, що використовується для виробництва електричної енергії.У структурі світовоговиробництва електричної енергії ПДЕ посідають почесне друге місце. Вони забезпечують близько20% світового виробництва електроенергії, випередивши атомну енергетику, природний газ і нафту, поступаючись тільки вугіллю. Основнукількість електроенергії, що виробляється ПДЕ, отримано на гідроелектростанціях (92%). Незважаючи на значний прогрес у розвитку, геотермальна, сонячна й вітроваенергетика забезпечують менше 5% від загального внеску ПДЕ.

Енергія Сонця.

В останній час інтерес до проблеми використання сонячної енергіїрізко збільшився. Потенціальні можливості використання безпосередньо сонячної енергії дуже великі. Якщо ми зможемо використовувати 0,0125% всієї цієї енергії, то людство було б повністюзабезпечене енергією зараз, а використання 0,5% повністю б покрило всі потреби людства назавжди (якщо вважати, що населення Землі не перевищить 20 мільярдів).

На жаль, це лише потенційні можливості. Справа в тому, що навіть за найкращихпогодних умов, енергетична густина сонячного потоку не перевищує250 Вт/м2.Спробуємо порахувати: для того, щоб колектори “збирали”за рік таку кількість енергії їх потрібно розмістити на площі 130000 км2!!! Окрім того, для створення такої великої кількості колекторів потрібно 1,3*109тон алюмінію. Світовийзапас алюмінію оцінюютьякраз в таку цифру.

Зрозуміло, що існуютьрізні фактори, що обмежують потужності сонячної енергетики. Окрім ціни та ресурсоємності ще існує проблема площі. Наприклад, якщо у 2100 році людство повністю забезпечуватиме свої енергетичні потреби за рахунок Сонця, то площа колекторів повинна буде сягати 1-3 млн. км2. Також безпосереднє використання сонячного випромінювання потребуєвелику кількість праці. Отже, зараз ще годі і казатипро масштабне використання сонячного проміння. Звісно,у курортних та віддалених від електромережі регіонахсонячні електростанції можуть бути необхідними, але загальна частка сонячної енергіїнадзвичайно мала. Та і навіщо будувати колектори, якщо в природі існують набагато більші потужніші колектори: атмосферата гідросфера?

Енергія вітру.

Енергія повітряних мас, що постійно рухаються, у сотні разів перевищує запаси гідроенергії усіх річок планети.Всюди і постійно на землі дмуть вітри: від легкого вітерцю до могутніх ураганів.Ці вітри могли б повністюзадовольнити потреби людства. Але частка вітряних електростанцій становить лише 0,1%. Чому ж тоді такий доступний та екологічно чистий спосіб видобутку енергії так слабовикористовується?

Людство використовує енергію вітру більш ніж 5 тис. років. Спочатку вітер використовувався для того, щоб приводити у рухчовни, потім - щоб молоти зерно та підіймати воду. Зараз вітер використовується для видобутку електроенергії. Найбільш вдалим можна вважати проект будівництва вітряківна Гавайському островіОхіо: гігантські вітряки,з діаметром ротору 122 м. зараз виробляють понад 6200 КВт кожен, при швидкості вітру 47 км/год. Скоріш за все постійне зростання цін на паливні ресурси зробить такі проекти ще більш рентабельними, а згодом і зросте частка “вітрової” електроенергії.

Енергія річок.

Багато тисячоліть вірно служить людині енергія, що міститься в текучій воді. Запаси цієї енергії величезні. Люди навчились використовувати цю енергію раніше за всі інші. Коли настала доба електрики, водяне колесо заново відродилося, але тепер вже у вигляді водяної турбіни. Можна сказати, що ще у 1891 р. почаласядоба гідроенергетики.

Гідроелектростанції мають багато переваг: постійновідновлювальний запас енергії,простота в користуванні, відносна відсутність забруднення оточуючого середовища. Але побудувати велику плотину набагатоскладніше, ніж водяне колесо. Для того, щоб змусити потужнітурбіни обертатися, потрібнонакопичити величезні запаси енергії за плотиною. Отож потрібно затопити певні регіони, а це в свою чергу може призвести до непоправних наслідків. Тож будівництво плотинвимагає від інженерівдуже точних розрахунків, а будь-яка помилка може призвести до екологічної катастрофи. І навіть при точних розрахунках будівництво плотини стає важливим екологічним фактором на великих площах. Ніщо не береться нізвідкіля: плотина зменшує швидкість течії, забираючи у неї енергію,а це може викликати заболочування та “цвітіння” води у заплавах. Дисбаланс може викликати найнепередбачуваніші наслідки.

Отже, повний перехідна видобування енергіїлише з річкових потоків може бути не менш небезпечним, ніж використання паливних ресурсів. Зараз ми можемо казати лишепро часткове енергокористування річками у тих місцях, де постійні розливи річок стають справжніми стихійними лихами. У таких регіонах небезпечні розливи річок перетворюються за допомогоюгребель на корисні джерелаенергії.

Енергія Землі.

Ще з давніх часів люди знають про стихійні прояви тієї потужноїенергії, що знаходиться в надрах земної кулі. Потужність навіть порівняно невеликого вулкану в сотні разів перевищує потужність будь-якої енергетичної споруди, що була створена людиною. Хоча людство ще не знає способу безпосереднього використання вулканічної енергії, та ми можемо навести чудовий приклад раціонального використання енергії земних надр – Ісландію. Ця маленька європейська країна повністю забезпечує себе теплом, яке отримується з гарячих фонтанів гейзерів, котрі працюють з точністю хронометра. Але вперше ідея використання гейзерів була втілена у дійсність не в Ісландії. Ще древні римляни підвелитепло від гейзерівдо лазень-терм міста Каракали.

Не тільки для опалення люди черпають енергію з надр землі. Вже давно працюють електростанції, що використовують гарячі підземні джерела.Перша така станціябула побудована ще у 1904 р. Зараз поблизу м. Сан-Франциско працює геотермальна електростанція потужністю 500 КВт.

Та не всюди із землі б’ють джерелагарячої води. Хоча гейзери й чудові джерела енергії, та характерна їм локальність заперечує будь-які розмовищодо глобального використання останніх.

Енергія Світового океану.

Відомо, що запаси енергії у Світовому океані колосальні. Так теплова енергія, що відповідає перегріву поверхневих вод порівняно з донними на 20 градусів, становить приблизно 1026 Джоулів. А кінетична енергія океанських течій оцінюється у 1018 Джоулів. Проте, поки що люди вміють використовувати лише дуже незначнічастини цих енергій,причому ціною великих інвестицій, що повільно окуповують себе. До останніх часів використання енергії океану здавалосянерентабельним.

Але зараз, коли постійно зростаючіціни на енергоносії змушують нас шукати нові способи видобування енергії, енергія океану стає найперспективнішим напрямом подальшого розвиткуенергетики. В останніроки ряд країн серйозно зацікавилися можливостями океану. В деяких країнахокеаноенергетика вже досить добре розвинена.

Найбільш вживаним є видобуток енергії з енергії припливів та відпливів. З 1967 р. у дельті р.Ранс,(Франція), працює приливнаелектростанція (ПЕС) потужністю 240 МВт. Тут приливи досягаютьвисоти 13 метрів.

Іншою можливістю стало вирощування гігантських швидкоростучих океанських водоростей келп, що легко перероблюються на метан. До того ж, кількість оксиду вуглецю, вивільненого при спалюванні отриманого газу, можна легко повернути у океан, якщо у екваторіальних районах розчиняти у воді чисте залізо. Залізо спричинює бурхливий ріст планктону і його кількість збільшується у декілька десятків разів, а потім планктон використовує розчинений у воді діоксид вуглецю.Взагалі, у океані зосереджується більша частина вивільненого діоксидувуглецю, тому зараз проводяться дослідження щодо зниження температури планети за допомогою розчинення у воді чистого заліза. Вчені стверджують що 10 000 тон заліза,розчинених у океані,можуть зменшити температуру в атмосфері планетина 0,5оС!!! А велика кількістьпланктону, увібравши в себе енергію, осяде на дні океану і через певний час утворить нові залежи паливних ресурсів.Взагалі, для енергозабезпечення 1 особи досить1 Гектар плантаційкелп.

Також велика увага привертається “океанотермічній енергоконверсії” (ОТЕК), тобто отриманню енергії за рахунок різниць температур води на різних глибинах.

Ще однією можливістю євикористання океанських течій: швидкість течії Гольфстрім біля берегів Флориди сягає5 миль/год. Ідея встановлення тут гігантських турбін під водою є досить привабливою.

Вже зараз багато маяків, що встановлені на воді біля берегів Японії та США, живлятьсявиключно за рахунококеанських хвиль. Розроблено проекти електростанцій, що використовують океанські хвилі для видобутку енергії, але ці станції повинні мати гігантські розміри,і тому такі проекти зараз не сприймаються серйозно.

Також Світовий океан має невичерпні запаси такого екологічно чистого палива, як водень. Можливо, в майбутньому людство і навчиться видобувати електроенергію виключно “чистими” способами, але навряд чи літак чи автомобіль на електродвигуні матиме гарні технічніхарактеристики. Інша справа – водень. Його паливні якості у декілька разів кращі, ніж у бензинучи дизпалива. Але існують певні проблеми зі зберіганням водню – він занадто вибухонебезпечний. Ще у 1996 році корпорація “Х’юндаї” розробила революційну технологію зберігання водню у кристалічних решітках металів. Ця розробка дозволила створитиперший гідромобіль, який був визнанийдостатньо безпечним для широкого вжитку і потрапив на масове виробництво. Технічніпоказники цього автомобіля значно кращі, а єдині вихлопи – водяна пара.

Взагалі Світовий океан є найбільш перспективним і найбільш вигідним енергоносієм майбутнього. Він ніби гігантський акумулятор вбирає в себе випромінювання сонця, енергію вітрів та енергію, що з’являється в результаті змін гравітаційних полів Землі та Місяця.

Непоновлювальніджерела енергії.

"Непоновлювані ресурси Землі повинні розроблятися таким чином, щоб забезпечити захист від вичерпання ресурсів у майбутньому та щоб зиск від їх розробки отримувало все людство."("Декларація з проблемоточуючого людину середовища". Принцип 5. Стокгольм, 1972).

Непоновлювані ресурси - це викопнепаливо, що складається з пальних речовин, не згоряючих залишків і вологи. Паливні копалинихарактеризуються спільним походженням пальної частини. Вони утворюються переважно з рослинної маси, але містять також певну кількістьбілкових жирових речовинтваринного походження.

Мільйони років у надрах Землі тривав процес розкладання рештківтварин і рослин,що колись переробили й зберегли сонячну енергію. У результаті утворилися такі непоновлювані джерела енергії, як нафта, вугілля, природний газ, торф, горючісланці, запаси котрих досить обмежені.

Поки людство не почало використовувати непоновлювані джерела, кількістьнакопиченої в них енергії залишалась незмінною. Це як скарб, заритийв землю, що залишається незмінним, доки хто-небудь не знайде його і не почне витрачати. А швидкість, з якою ми витрачаємо непоновлювані джерелаенергії, в багато разів перевищуєчас їх утворення. Тому основною вадою непоновлюваних джерел енергії є те, що рано чи пізно вони будуть вичерпані. Друга значна вада використання непоновлюваних джерел енергії завдає великої шкоди природі. Чому ж людство використовує непоновлювані джерела енергії попри всі їх вади й далі? Цьому є кілька причин: економічні (прагнення швидко отримати прибутки); психологічні (небажання змінювати звичний спосіб життя); і, навіть, політичні (енергія – це влада).

Людству треба прагнути витрачатиякомога менше енергіїнепоновлюваних джерел і чим більше - поновлюваних.

Органічне паливо на Землі видобуваємо в твердій (торф, різні види вугілля і т.п.), рідкій (нафта) та газоподібній (природний газ) формі,що зумовлено розкладанням органічних речовин та їх джерелом.Розкладання відмерлої багатоклітинної рослинності, яке відбувається в товщі Землі в заболочених місцях, де шар води перешкоджає вільному доступу повітря, призводить до утворення темно-бурої маси торфу, в якому трапляються залишки рослин, що не розклалися (листя, стебла). В подальшому, під дією тиску, температури і мікроорганізмів торф'янамаса перетворюється на буре вугілля.Продуктами наступних стадій перетворення бурого вугілля є кам'яне вугілляй антрацит. До твердого викопного палива належать і горючі сланці.Це мінеральні породи,просякнуті органічними речовинами.

Природним рідким паливомє нафта – суміш рідких вуглеводнів з молекулярними масами з різних груп. Крім того, у ній міститься деяка кількість рідких кисневих, сірчистихі азотистих сполук.Нафта-це продукт розкладання одноклітинних рослин і організмів, що існували сотні мільйонів років тому. Гинучи,вони формували відкладення на глибинах від 30 метрів до 8 кілометрів. Природнийгаз суто газовихродовищ складається переважноз метану (95-98%СН₄). Природний газ, як нафта і вугілля, утворився в надрах Землі зрештків рослин і дрібних тварин.

Сучасне індустріальне суспільство неможливе без таких непоновлюваних енергоджерел, як газ, нафта і вугілля.

Високорозвинені країни отримуютьз них близько 80% енергії. Крім того, що запаси цих енергоджерел обмежені, їхнім величезним недолікомє забруднення навколишнього середовища як у місцевому, так і у всепланетному масштабі. При цьому маса утворених газоподібних чи твердих продуктів згоряння, що надходятьу навколишнє середовище, у кілька разів перевищує масу використаного палива.Наприклад, при спалюванні природного газу - у 5 разів, при спалюванні вугілля

- у 4 рази! Завдяки застосуванню новіших технологій у виробництві енергіїможна трохи знизитинегативний вплив паливно-енергетичного комплексу(ПЕК) на навколишнє середовище.

Для вироблення електроенергії у світі за останні 30 років на теплових електричних станціях (ТЕС) використано 76 млрд. тон вугілля, 3 млрд. тон мазуту, 3 трлн. м3 газу, а на АЕС - тільки0,2 млн тон ядерного палива.Якщо розглядати структурусвітової витрати палива людством, то атомна енергетика посідає близько 6%, органічне паливо - близько 89%, а всі нетрадиційні джерела енергії- лише 2%. Спалювання органічного палива призводить до щорічного викиду 27млрд. тон вуглекислого газу(СО₂) в атмосферу і мільйонів тон оксидів сірки та азоту.