Энергетика: история и перспективы развития

В 1876 г. получила признание свеча П.Н. Яблочкова, состоящую из двух угольных стержней, расположенных вертикально и параллельно друг другу, между которыми проложена изоляция из каолина (глины). в 1872 г. А.Н. Лодыгин предложил вместо угольных электродов в свече Яблочкова использовать нить накаливания (сначала угольную, а затем из тугоплавкого металла), которая при протекании электрического тока ярко светилась.

Это было безопасное для людей, яркое и дешевое  освещение посредством электричества, как считал Лодыгин.

Томас Эдисон усовершенствовал лампу накаливания Лодыгина (откачализ баллона лампочки воздух, придумал цоколь с винтовой нарезкой и т. п.); заводы Эдисона стали выпускать лампы накаливания миллионами штук во всем мире.

Еще очень много  известных ученых внесли неоценимый вклад в развитие электричества, в практическое применение в народном хозяйстве и промышленности. Со временем вольтов появились другие источники электричества: гальванические, термоэлементы, динамо-машины, электрогенераторы, аккумуляторы.

Кроме постоянного тока появился однофазный переменный ток, получавшийся от электромагнитных генераторов, а позже – и трех-фазный ток (М.О. Доливо-Добровольский).

Ученые конца XIX в. сделали бесчисленное множество  открытий в области применения электричества, что послужило в дальнейшем для развития электроэнергетики как самостоятельной отрасли.

 

3. Развитие энергетики в России

 

Электрическая энергия с начала XX в. прочно вошла  в промышленное производство, сначала  в виде группового, а затем индивидуального  электропривода, который и осуществил реконструкцию всего силового хозяйства машинной индустрии начала XX в.

С развитием  отрасли одновременно стала развиваться  и наука электротехника, так как  с использованием электрического тока в промышленности, заводам и фабрикам требовались квалифицированные специалисты по работе с электрическим током (потому как является опасным производством на любых этапах деятельности, даже в быту).

В России Энергетическое и электротехническое образование (это система подготовки специалистов по энергетике — тепло-, гидро-, электроэнергетике и энергомашиностроению для различных отраслей народного хозяйства, а также по электротехнике и другим видам техники, занимающимся производством, преобразованием, передачей, распределением и потреблением энергии в различных ее формах) стало развиваться с середины 19 в., когда в Петербургском технологическом институте и Горном институте было введено изучение термодинамики, паровых машин и паровых котлов.

В связи с  развитием энергетики за годы Советской  власти сформировались основные специализации: в теплоэнергетике - проектирование, монтаж и эксплуатация тепловых установок, теплофикационных сетей, теплового оборудования и др; в электроэнергетике и электротехнике - проектирование, монтаж и эксплуатация тепловых электростанций, линий передачи электроэнергии в различных отраслях промышленности, транспорта и связи, электромашиностроение, электроаппаратостроение (в том числе ионная и рентгеновская аппаратура, осветительные устройства) и др.; в гидроэнергетике - проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений, гидроэлектростанций и передаточных устройств.

В настоящее  время в группу специальностей Энергетика входят: Теплоэнергетика, Электроэнергетика, Ядерные физика и технологии, Техническая физика, Энергомашиностроение, Электротехника, электромеханика и электротехнологии.

 

 

2. Современные проблемы энергетики

 

Человечество по мере своего развития все больше и больше нуждается в энергетических ресурсах, электрическая и тепловая энергия практически неотделимы от быта и производственной деятельности человека. В течение следующих десятилетий ожидается значительное увеличение энергопотребления, связанное с развитием экономики и приростом населения. Это приведет к росту давления на систему энергоснабжения и потребует повышенного внимания к эффективности использования энергии. Это проблемы современной энергетики, которые надо решать прямо сейчас. Доступность энергоресурсов является ключевым фактором для развития экономики и способствует улучшению качества жизни.

Рост мировых  экономик и увеличение численности  населения выступают в качестве основной движущей силы непрерывного роста энергопотребления.

 

2.1 Ситуация  в мире

 

Несмотря на то, что  количество автомобилей в Китае  за 2000¬2006 гг. увеличилось более чем  в 2 раза, один автомобиль там приходится на 40 человек, в то время как в США данный показатель равен одному автомобилю на двух человек. Исходя из этого, можно с уверенностью прогнозировать дальнейший стремительный рост продаж автомобилей и объемов потребления топлива в Китае. Ускоряющиеся темпы потребления в сочетании с большой численностью населения, которая продолжает расти, позволяют сделать вывод о том, что новая волна роста энергопотребления в значительной степени придется на развивающиеся страны.

Человек только начинает осознавать ограниченность ископаемых ресурсов, в условиях необходимости рационального их использования. Нефти с 1960 по 1970 год было израсходовано столько же, сколько за предыдущие 100 лет. К 2030 году доля нефти как энергоносителя сократится до 16 %. Между тем из разведанных и эксплуатируемых скважин извлекалось до недавнего времени всего 30 % нефти. Уголь может снова стать важнейшим источником энергии. Другой альтернативой всё чаще называется - атомная энергия.

Плодами экономического роста пользуется порядка 15 % населения Земли (в основном, страны Запада), а энергетические ресурсы сосредоточены преимущественно в развивающихся странах. США, ЕЭС, Канада, Япония потребляют 1/2 всей мировой энергии, 1/3 удобрений, 2/3 всех металлов, 2/3 деловой древесины. Они же производят более 2/3 мирового валового продукта, обеспечивают 2/3 мировой торговли, выбрасывают 3/4 всех загрязнителей. Вложение энергии на 100 000 человек в Нидерландах составляет 914 пентаджоулей, Германии - 418, Великобритании - 355, Японии - 352, США - 74, в России - только 16. Борьба за обладание энергоресурсами часто кончается военными конфликтами. В современных условиях усилия в этих конфликтах все чаще направляются не на захват территорий противника, а на подавление военно-экономического потенциала - устранение «конкурента» и обеспечение господства победителя на рынках сырья и сбыта. Это мнение особенно актуально для сегодняшней ситуации в мире.

В настоящее время  основными источниками энергии  являются углеводороды и урановые руды. Их мировые запасы примерно уже известны, и, даже по самым оптимистическим оценкам, вряд ли разведка даст увеличение их объемов в разы. Поскольку известен и уровень потребления этих ресурсов, то уже подсчитан и срок, после которого они будут полностью исчерпаны. Очевидно, что никакой режим экономии невозобновляемых источников энергии не в состоянии исключить того момента в будущем, когда они будут полностью исчерпаны. Ситуация усугубляется при этом еще несколькими факторами.

Во-первых, экспоненциальным ростом промышленного производства. Так, в прошлом столетии совокупный объем промышленного производства в мире увеличивался в среднем  каждые 20 лет. Если эта тенденция  сохранится в ХХI в., то через 20 лет  потребность в энергоресурсах вырастет в 2 раза, через 40 лет - в 4, к концу ХХI в. - в 32, к концу ХХII в. - в 1024 раза. А поскольку даже при сохранении потребления ресурсов на сегодняшнем уровне их хватит не более чем на несколько десятков лет, то прирост промышленности катастрофически ускоряет приближение всемирной ресурсной катастрофы.

Однако главная  проблема современной энергетики в  настоящий момент — не только истощение  минеральных ресурсов, а угрожающая экологическая обстановка.

Самые острые экологические  проблемы (изменение климата, кислотные осадки, всеобщее загрязнение среды и другие) прямо или косвенно связаны с производством, либо с использованием энергии. Энергетике принадлежит первенство не только в химическом, но и в других видах загрязнения: тепловом, аэрозольном, электромагнитном, радиоактивном. Поэтому не будет преувеличением сказать, что от решения энергетических проблем зависит возможность решения основных экологических проблем.

Российские  проблемы

Ключевой проблемой  экономики России является необходимость  повышения энергоэффективности. Удельная энергоемкость промышленного и сельскохозяйственного производства в 3,5 - 4,0 раза выше, чем в развитых странах мира. Это обусловлено тем, что энергетический сектор экономики сложился во второй половине прошлого века в условиях, совершенно отличных от современных. Решение проблемы – сложная, многофакторная задача от банальной экономии энергии до решения фундаментальных и прикладных научных проблем.

 

2.2 Пути  решения

 

В условиях сложившейся  односторонней ориентации экономики и энергетики на использование углеводородного сырья среди важнейших научных задач ближайшей перспективы, на мой взгляд, представляются следующие:

- разработка  технологий атомной энергетики  и реализация на этой основе  современных высокоэффективных  и безопасных реакторных установок и атомных электростанций нового поколения

- освоение водородных  технологий и создание на этой  основе систем производства, хранения  и использования водорода как  высокоэффективного топлива

- разработка  новых технологий переработки и сжигания твердого топлива для получения энергии

- создание новых  технологий использования нетрадиционных  и возобновляемых источников  электрической и тепловой энергии,  создание химических источников  тока.

Весь мир  сейчас «говорит» об Альтернативной энергетике, основанной на использовании возобновляемых (или "чистых" не газрязняющих окружающую среду) источников энергии. К таковым относятся энергогенерирующие устройства, работающие с использованием энергии Солнца, ветра, приливов и отливов, морских волн, а также подземного тепла планеты.

Особое значение для качественного обновления энергетики имеют фундаментальные разработки в области высокотемпературной  сверхпроводимости, позволяющие разрешить  ряд важных проблем, таких как  создание токоограничителей, накопителей электроэнергии, сооружение сверхпроводящих линий электропередачи для осуществления вводов электроэнергии в крупные города. Создание сверхпроводниковых накопителей энергии позволит повысить надежность и бесперебойность энергоснабжения при авариях в энергосистемах. Кроме того, электротехническое оборудование, выполненное с использованием сверхпроводимости (криогенные генераторы, кабели), позволит в 2 - 3 раза сократить потери при производстве и передаче электроэнергии. Фактически речь может идти о принципиально новой электроэнергетике.

Среди практических задач отрасли на ближайший период важнейшей является модернизация теплоэнергетики  с созданием высокоэффективных  парогазовых установок с комбинированной  выработкой электрической и тепловой энергии с КПД не менее 50 – 55%.

В тоже время  во многих странах мира ведутся работы по созданию интеллектуальных электрических  сетей. Интеллектуальные сети (ИС) - это  комплекс технических средств, которые  в автоматическом режиме выявляют наиболее слабые и аварийно опасные участки сети, а затем изменяют характеристики и схему сети с целью предотвращения аварии и снижения потерь, автоматически балансирующая и самоконтролирующаяся энергетическая система, способная принимать энергию от любого источника (уголь, солнце, ветер) и преобразовывать ее в конечный продукт для потребителей (тепло, свет, теплую воду) при минимальном участии людей.

 

 

3 Перспективы развития мировой энергетики

 

По данным Международного института прикладного системного анализа (МИРЭС), потребление первичной энергии к 2030 г. по миру в целом составит приблизительно 24 млрд. т. у. т. в год, то есть возрастет вдвое по сравнению с уровнем 1988 г. Тенденция увеличения потребления первичной энергии составляет примерно 1,5 - 2 % в год.

Перспективы такого роста не могут не вызывать беспокойства, так как это связано с ухудшающейся экологической ситуацией.

Если сохранится современная энергетическая модель (использование углеродного топлива), то в качестве топлива начнут использовать: нефтеносные сланцы, битуминозные породы, тяжелую нефть.

Однако необходимость  сокращения выбросов углекислого газа потребует использования безуглеродных  источников первичной энергии.

Новая стратегия  предусматривает использование  водорода, который можно пол лучить из природного газа; энергии биомассы; солнечной энергии, среди способов ее использования наиболее перспективным является фотоэлектрический вариант; ядерного топлива: при условии обеспечения необходимого уровня безопасности.

Подводя итог, можно  сказать, что в перспективе в  системах энергоснабжения будут использоваться как традиционные, так и нетрадиционные виды энергии.

Энергетика, как  никакая другая отрасль общемировой  промышленности, требует на нынешнем этапе объединения усилий всего  человечества для решения возникших  проблем и определения стратегии развития. Главнейшая задача - предотвращение экологического кризиса. Поэтому развитие энергетики на недобавляющих энергию в биосферу Земли источниках не только необходимо, но и неизбежно.