Источники энергии и ИКТ
5 ноября 2017
Рубрика: Технологии.
Автор: .

Материальное производство является главным потребителем энергии и интеллектуальной деятельности человека в виде разрабатываемых технологий, создания машин, товаров и оказываемых услуг.

Необходимые для этого материальные потоки обеспечивает энергетический цикл. Источником потока энергии на Земле является солнечная энергия в виде непосредственного потока излучения Солнца или накопленных ранее и тем самым невозобновляемых ресурсов — прежде всего, запасов углеводородного топлива. Энергетические ресурсы, отработав, к великому сожалению, рассеиваются в окружающей среде в виде загрязнений, в том числе тепловых.

В настоящее время человечество достигло колоссальной численности и уже истратило значительную долю качественных природных запасов, создав принципиальные проблемы слишком быстрого исчерпания ресурсов планеты, включая экологические.

Опыт развития цивилизации показал, что благосостояние стран и народов прямо зависит от потребляемой энергии, что заставляет людей это потребление непрерывно наращивать. При этом сегодня огромный поток энергии, используемый человечеством, определяется органическим топливом: нефтью, газом, углем. С изобретением автомобиля стал использоваться бензин, и сегодня нефть — главный двигатель мировой экономики.

За последние тридцать лет мировое потребление энергетических ресурсов выросло почти в два раза и к настоящему времени составляет более 13 млрд. тонн нефтяного эквивалента. По данным Мирового энергетического агентства Организации экономического сотрудничества и развития (МЭА ОЭСР) органическое топливо составляет порядка 90% в структуре мирового потребления первичной энергии.

Из них 80% — нефть, газ, уголь, 10% — это биотопливо (растения, отходы животноводства), используемое в развивающемся мире. На все остальное — атомную энергию (5,7%), гидростанции (2%), другие возобновляемые источники (2%) приходятся те же 10%. Однако, особо следует отметить, что и атомная, и гидроэнергия, являющиеся единственными индустриально освоенными источниками безуглеродной энергии, напрямую попадают к потребителю энергии в виде электрической генерации. При этом они вносят вполне весомый вклад в электрический «доход» человечества — примерно поровну, порядка 15% каждый.

Ископаемое углеводородное топливо

Ископаемое углеводородное топливо останется основным топливом ХХI века. Мировые запасы угля составляют более 900 млрд. т. Более половины их сосредоточено в трех странах — США, России и Китае, однако еще в двадцати странах эти запасы превышают миллиард тонн в каждой. При существующем уровне добычи человечество обеспечено углем приблизительно на 160 лет.

Доказанные запасы нефти составляют порядка 150 млрд. т, природного газа — около 200 трлн. кубометров. При этом имеются дальнейшие резервы приращения разведанных запасов органики. Так, открытые в последние годы одиннадцать крупнейших месторождений нефти обладают суммарным запасом, примерно равным годовому общемировому потреблению. Необходимо подчеркнуть, что нефть на 95% покрывает все транспортные потребности в мире.

Мировые ресурсы нетрадиционной нефти — тяжелой неф­ти, из сланцев, нефтяных песков и натуральных битумов, заметно превышают ресурсы традиционной нефти и оцениваются примерно в 500 млрд. тонн. В целом на долю очень дорогой нефти (со стоимостью извлечения превышающей существующую в 5–10 раз) приходится более 80% ее мировых ресурсов.

В 1960-х годах были открыты газовые гидраты. Они являются пока единственным еще не разрабатываемым источником природного газа на Земле. Общие объемы метана в природных гидратах составляют 1016 м3. Это на порядок больше потенциальных ресурсов природного газа других источников.

В целом углеводородного топлива хватит человечеству на многие десятилетия. Сжигание органического топлива приводит к ежегодному выбросу около 27 млрд. тонн CO2 в атмосферу. Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания ископаемых источников, в первую очередь угля и ядерного топлива, является причиной ухудшения экологической обстановки на Земле. Существенным является также и «тепловое загрязнение» планеты, происходящее при сжигании любого вида топлива. Допустимый верхний предел выработки энергии на Земле, по оценкам ряда ученых, всего на два порядка выше нынешнего среднего мирового уровня. Поэтому угрозу цивилизации со стороны сжигания ископаемой органики люди видят не столько в исчерпаемости этого ресурса, сколько в его влиянии на необратимые изменения климата планеты.

Возобновляемые источники энергии

Возобновляемые источники энергии (без гидроэнергетики и биомассы) обеспечивают около 1,5% потребностей человечества в первичной энергии. Однако прогнозы указывают, что благодаря большой государственной поддержке в Западной Европе ожидается рост генерации возобновляемых видов энергии, хотя их применение не может гарантировать ни стабильной генерации, ни экономически оправданных тарифов. Рассмотрим кратко состояние, возможности и ограничения разнообразных возобновляемых технологий производства энергии [1].

  • Биотопливо является наиболее масштабным, хотя и загрязняющим атмосферу, возобновляемым источником энергии, используемым человечеством. Полное использование биомассы в мире приблизительно составляет более 10% первичной энергии. Это в основном растения и биоотходы, которые являются источником энергии для обогрева и приготовления пищи в развивающихся странах. Лидером в использовании твердой биомассы (сахарный тростник, кукуруза, рапс) являются США (5% от их атомного электропроизводства). Далее идут Япония, Финляндия, Канада и Швеция.
  • Гидроэнергия— главный возобновляемый источник электричества на планете. Составляет сегодня около 90% электрогенерации от возобновляемой энергетики. Существующая гидроэнергетика — один из наиболее дешевых производителей электричества. Но экономический потенциал гидроэнергетических ресурсов мира в развитых странах в значительной мере (около 75%) уже использован. Кроме того, экологические и социальные проблемы, связанные с затоплением территорий, являются основным препятствием к развитию этого энергетического источника. В настоящее время находится в эксплуатации или строится в мире более 800 ГВт мощности гидростанций.
  • Энергия ветра. Сейчас ветроэнергетика развита более чем в 55 странах мира. В Европе сосредоточено около половины суммарной мощности ветроэнергетических установок (ВЭУ), остальное почти поровну — в Северной Америке и Азии. В настоящее время глобальная установленная мощность ВЭУ не более 200 ГВт. Следует подчеркнуть, что во всем мире ветроэнергетика была и остается субсидируемой государством отраслью. Глобально это 230–250 млрд. долл. в год.
  • Солнечная энергия— самый изобильный энергетический ресурс Земли. Энергия Солнца, падающая на земную поверхность за час, примерно равна суммарному количеству энергии, потребляемому человечеством за год. Однако низкая плотность и прерывистый характер делают ее крупномасштабное использование слишком сложным и дорогостоящим.

Солнечную энергию можно добывать несколькими способами. Ее можно использовать для теплоснабжения жилищного сектора и промышленных процессов. Исследованиями в этих областях науки и техники в течение многих лет успешно занимаются и узбекские ученые НПО «Физика-Солнце». Солнечная энергия используется также для производства электричества, либо посредством концентрации солнечного излучения, либо путем прямого превращения ее в электроэнергию в фотоэлектрических элементах. Фотоэлектрические системы непосредственно переводят солнечную энергию в электрическую. Сегодня в более 90% фотоэлектрических модулей используется кристаллический кремний с эффективностью преобразования энергии порядка 15%. Типичная пиковая мощность коммерческого фотоэлектрического модуля площадью от 0,4 до 1,0 м2 составляет от 50 до 150 Вт (пиковых).

При современном уровне производства на изготовление солнечных элементов, преобразующих прямое солнечное излучение с эффективностью до 15% общей мощностью 100 ГВт, необходимо не менее 1 млн. тонн кремния высокой степени чистоты, что представляет не только сложную технологическую и финансовую, но и экологическую проблему, т.к. получение чистого кремния осуществляется экологически вредным производством. Другим недостатком традиционных кремниевых солнечных батарей является относительно малая энергетическая эффективность (КПД составляет около 15%).

Фотоэлектрические модули на кристаллическом кремнии трех стран (Германия, Япония и США) дают примерно 70% суммарных мировых мощностей. Ожидается, что годовое общемировое производство электроэнергии в 2050 году за счет фотоэффекта составит около 2600 ТВт х час, что будет соответствовать 6% мирового электропроизводства.

В 2009 году в Испании начала работать крупнейшая на тот момент в мире солнечная электростанция мощностью 60 МВт. Сооружение занимает площадь 70 футбольных полей. Эта гелиоэлектростанция производит электроэнергию в объеме около 180 ГВт х час в год, т.е. примерно 2,5% от производительности одного блока АЭС гигаваттной мощности.

Евросоюз разрабатывает проекты строительства солнечных батарей в Сахаре. Мощность солнечной электростанции составит около 100 ГВт. Ориентировочная стоимость проекта — около 400 млрд. евро. Станция может обеспечить европейцам около 15% необходимой им электроэнергии.

Существенный рост фотоэлектрических применений энергии Солнца прогнозируется в Северной Америке, а также в Китае и Индии. Ожидается также широкое применение концентрированной солнечной энергетики в Латинской Америке и Африке.

Практическим внедрением для энергетических целей солнечных батарей в Узбекистане занимается Международный институт солнечной энергетики.

С целью повышения энергетической эффективности в 1950 году начался синтез новых полупроводниковых материалов типа AIIIBV, а в 1970-е годы были созданы солнечные элементы на основе гетероструктур AlGaAs — GaAs. Весомый вклад в создание таких солнечных элементов принадлежит Физико-техническому институту им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук [2]. В дальнейшем непосредственное участие в совершенствовании технологии элементов принимал участие и автор этой статьи профессор Х.К. Арипов. Переход с кремния на соединения III–V позволил увеличить КПД в 2 раза. Однако стоимость 1 см2 монокристаллической подложки соединения III–V достигает 4–7 долл., поэтому стоимость 1 Вт установленной мощности при преобразовании прямого солнечного излучения увеличивается в 1,5–2 раза.

Существенное снижение количества полупроводникового материала возможно путем увеличения эффективности солнечных элементов и при переходе к преобразованию концентрированного солнечного излучения. Сегодня эффективность каскадных солнечных элементов на основе гетероструктур составляет 35–40%. Однако следует отметить, что сложные по структуре и дорогие каскадные солнечные фотоэлементы на основе соединений AIIIBV используются при оснащении космических аппаратов и в других специфических областях энергетического применения.

Однако, человечеству нужна не просто энергия, а относительно дешевая энергия. Последние 50 лет в мире существуют статистические данные о росте мировой экономики и стоимости энергии, которая этот рост обеспечивает. В. Ф. Цибуль­ский [3] из Курчатовского института (Российская Федерация) разобрался с тем, какую долю мирового валового продукта (МВП) все эти годы люди тратят на производство энергии. Напомним, что МВП выражает совокупную стоимость конечных товаров и услуг в рыночных ценах. Результаты данных приведены на рис.1.

Из приведенного анализа следует, что средняя цена энергии составляет в среднем 5%. Оказывается, что если вместо «нормальных» 5% цена энергии подскакивает до 10% от МВП, это обязательно совпадает с мировым кризисом. Так было и в 1980-е годы и в 2009 году.

Этот эмпирический факт показывает, что дорогая энер­гия недоступна современной экономике. Таким образом, появилась база для оценки возможностей различных энергетических технологий, так как цены единицы энергии от разных источников известны. В мировой ядерной энергетике приемлемая в настоящее время стоимость АЭС — 4000 долл./кВт, но уже к 2030 году она вырастет до 8000 долл./кВт. Если учитывать перспективные технические приложения, то такие цены атомных мощностей будут «по плечу» экономике.

В то же время, чтобы справиться с ценой возобновляемой энергетики, человечеству пришлось бы утроить либо валовой продукт, либо долю в нем энергетических затрат. Современные технологии способны заменить практически все, кроме «одного» товара — энергии. Ее дефицит невозможно восполнить ничем, кроме ограничения потребления.

В настоящее время науке удается повышать эффективность использования энергии с темпом 0,8% в год, в том числе путем широкого внедрения технологии интернета вещей, как и более общих технологий IoT, которые в основном предполагают информационное взаимодействие вещей/устройств/машин (М2М).

Двигателями повышения эффективности практически любой сферы деятельности могут стать приложения для интернета вещей (Internet of Things, IoT). Здесь предлагаются такие группы приложений, как «умный дом», «умный город», «умные вещи», «умная медицина», «умный транспорт».

Внедрение индустриального (промышленного) интернета вещей (IIoT), объединяющего промышленные производственные системы на уровне технологических процессов, киберфизических машин и интеллектуальных систем управления способствует увеличению производительности труда на 25%. Индустрия, построенная на базе IoT, получила название «Индустрия 4.0».

Направление вектора развития информационного взаимодействия — увеличение числа услуг связи с одновременным уменьшением затрат на их предоставление. Данный процесс, получивший название мультисервис, охватил практически все архитектурные построения.

Литература

  1. «Мировая экономика — 2050» («Белая книга»). Международный центр устойчивого развития под эгидой ЮНЕСКО, Институт энергетической стратегии, 2011.
  2. Алферов Ж. И., Андреев В. М., Каган М. Б., Протасов И. И., Трофим В. Г., ФТП, 4, 12 (1970).
  3. Велихов Е. П., Гагаринский А. Ю., Субботин С. А., Цибульский В. Ф., «Энергетика в экономике XXI века». М: ИздАт, 2010.

Авторы А.М. Абдуллаев, доцент ТУИТ, Х.К. Арипов, профессор ТУИТ

Orphus system
Подписывайтесь на канал infoCOM.UZ в Telegram, чтобы первыми узнавать об ИКТ новостях Узбекистана
В Telegram
В WhatsApp
В Одноклассники
ВКонтакте