Энергетика будущего - какая она?

XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Энергетика будущего - какая она?

Соловьев О.Е. 1
1БОУ г. Омска "Гимназия № 19"
Сащенко Г.Ю. 1
1БОУ г. Омска "Гимназия № 19"
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Жизнь современного человека, будь то ребёнок или взрослый, сложно представить без электричества: мы окружены электроприборами, которые делают нашу жизнь комфортной, интересной и безопасной. Все мы привыкли пользоваться благами, которые даёт нам невидимая энергия, текущая по проводам, но мало кто задумывается, откуда она берется и надолго ли нам её хватит? Действительно, с ростом городов, населения, увеличением производств, призванных обеспечить растущие потребности человечества, потребление электричества увеличивается быстрыми темпами, и из новостей мы знаем, что многие развитые и развивающиеся страны уже столкнулись с дефицитом электроэнергии. Всё чаще звучат вопросы о необходимости поиска более дешёвых и экологичных источников электроэнергии, которые не только позволят обеспечить растущее энергопотребление, но и минимизируют наносимый при этом вред природе.

Тема: «Энергетика будущего – какая она?»

Проблема: исчерпаемость природных ресурсов, загрязнение окружающей среды, риск техногенных катастроф.

Цель исследовательской работы: определить наиболее перспективные источники электроэнергии для Омской области.

Задачи исследовательской работы:

  1. Изучить современные типы электростанций, их преимущества и недостатки.

  2. Выяснить, какие типы электростанций оптимально подходят для Омской области, в том числе с учётом мнения ее жителей.

  3. Проверить работоспособность основных видов перспективных электростанций с использованием имеющихся у меня в наличии средств и инструментов.

Моя гипотеза:

Я предполагаю, что для нашего региона перспективно строительство энергосистемы, включающей в себя комплекс из небольших солнечных и гидроэлектростанций, а также развитие атомной электроэнергетики.

План:

  • Изучение литературы и мультипликационных фильмов об энергетике.

  • Анкетирование жителей Омска по вопросам энергетики области.

  • Сравнение наиболее перспективных видов источников энергии.

  • Выбор наиболее подходящего источника энергии для нашего региона.

Мои помощники: мои родители.

  1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В рамках проводимого исследования мною были изучены следующие источники:

  • статьи в научно-популярных детских журналах о развитии и проблемах различных источников генерации электричества;

  • учебные пособия об основных направлениях развития энергетики;

  • научно-популярные мультипликационные фильмы об энергетике.

Изученный материал позволил мне не только выделить основные направления, в которых развивается современная энергетика, но и почерпнуть информацию о тех проблемах, которые сопутствуют развитию. В данной исследовательской работе не рассматривались научно-теоретические виды электрогенерации, еще не получившие своего практического воплощения (например, установка Токамак, предназначенная для поддержания термоядерных реакций, наногенераторы, преобразующие шум в электроэнергию, энергоустановки на антиматерии и другие).

В настоящее время в мире выделяют пять основных видов промышленной электрогенерации: тепловая, гидроэнергетика, ветровая, ядерная и солнечная. Преобладание того или иного вида в разных странах зависит от наличия необходимых для этого ресурсов. Каждый вид электрогенерации имеет как свои преимущества, так и недостатки:

  • тепловая электроэнергетика основывается на преобразовании тепловой энергии, полученной в результате сжигания топлива (каменный уголь, мазут, природный газ), в электрическую энергию за счет нагрева воды и пара с последующей их подачей на турбины, при вращении которых вырабатывается электричество. Тепловая электроэнергетика обеспечивает более 60% производства электричества во всем мире. К преимуществам тепловых электростанций можно отнести их надёжность, доступность топлива, относительно низкую стоимость строительства. Основные недостатки: загрязнение окружающей среды, растущая стоимость топлива и его исчерпаемость.

  • гидроэнергитика основана на преобразовании энергии движущейся воды в электроэнергию благодаря воздействию водяного потока на лопасти турбины. Гидроэлектростанции по способу сбора энергии бывают двух типов: плотинного с водохранилищем или речного с проточной установкой. Гидроэлектростанции вырабатывает около 15% мировой электроэнергии. К преимуществам гидроэлектростанций можно отнести то, что это дешёвый в эксплуатации, возобновляемый и экологически чистый источник энергии. Недостатки такого способа получения электроэнергии кроются в дороговизне строительства плотин и гидроэлектростанций, необходимости затопления обширных территорий для создания водохранилищ (потеря лесов и земель), риске разрушительных наводнений в случае сезонных колебаний воды (весенний паводок, обильные дожди), а также в географической ограниченности строительства гидроэлектростанций – их строительство возможно только на полноводных реках с соответствующими условиями для создания водохранилищ.

  • ветроэнергетика основывается на преобразовании энергии воздушных масс в электроэнергию при вращении лопастей турбины. Доля ветроэнергетики на сегодняшний день составляет до 7% от общего объема производимой электроэнергии на планете. К преимуществам ветровых электростанций можно отнести то, что это бесконечный возобновляемый и экологичный источник энергии, не требующий значительных затрат, поскольку для генерации электроэнергии не требуется топливо. К недостаткам можно отнести неустойчивость и непредсказуемость погодных условий – при отсутствии ветра или снижении его скорости генерация электроэнергии прекращается, поэтому при строительстве ветряков приходится выбирать местность, в которой дуют постоянные сильные ветры. Но, с другой стороны, во время сильных штормов или ураганов очень часто ветряки выходят из строя, и требуются значительные затраты средств на их восстановление. К еще одному недостатку можно отнести шум, производимый ветряками: ветряные турбины при вращении лопастей издают неприятный шум, который может вызывать беспокойство у людей и животных, особенно если установки находятся вблизи от жилых зон.

  • ядерная электроэнергетика основывается на преобразовании тепловой энергии, выделяющейся при цепной реакции деления тяжёлых ядер таких химических элементов, как уран, плутоний или торий, в электрическую энергию. В процессе деления ядер урана в реакторе происходит нагрев теплоносителя, который, в свою очередь, нагревает воду, поступающую в турбину, в которой вырабатывается электричество. Атомная энергетика на сегодняшний день вырабатывает около 11% мировой электроэнергии: в последние два десятилетия доля атомных станций в выработке электричества снижалась, однако сейчас начался бум строительства новых энергоблоков. К преимуществам атомных электростанций можно отнести их экологичность (они не производят парниковых газов), стабильность и долговечность (работают по 40-60 лет), малый расход топлива. Главным недостатком атомных электростанций является риск аварии, которая может привести к катастрофическим последствиям с радиоактивным загрязнением больших территорий на долгие годы (Чернобыльская АЭС, АЭС «Фукусима»). Ещё одной проблемой является необходимость хранения отходов, продуктов деления ядерного топлива, которое остается опасным на миллионы лет. Стоит отметить, что в настоящее время отечественные ученые, строят новый тип реактора, почти не производящего ядерных отходов.

  • солнечная электроэнергетика основывается на преобразовании энергии солнечного излучения в электрическую с помощью фотоэлектрических панелей, аккумуляторов. Доля солнечных электростанций в общей выработке электричества сегодня составляет до 7%. К преимуществам солнечных электростанций можно отнести их экологичность, возобновляемость и небольшие расходы на эксплуатацию. Недостатками, как и в случае с ветровыми электростанциями, является зависимость от погодных условий (не работают ночью и в пасмурную погоду), высокая стоимость строительства и долгая окупаемость, а также необходимость больших территорий для размещения солнечных панелей. Ещё одной важной проблемой является то, что производство солнечных панелей требует больших затрат электроэнергии и применения крайне токсичных химикатов, которые при утилизации солнечных панелей могут привести к серьезным последствиям для экологии планеты.

Кроме вышеописанных видов электрогенерации, есть и другие альтернативные источники энергии, такие, как: приливные электростанции, преобразующие энергию приливов и отливов в электроэнергию; геотермальные электростанции, использующие для выработки электроэнергии тепло Земли (горячие источники с паром); биоэнергетические электростанции, в которых электроэнергия получается за счет использования биогаза растительного и животного происхождения с высоким содержанием метана; водородные электростанции, использующие в качестве топлива газ водород. Данные виды электрогенерации имеют свои серьезные ограничения, заключающиеся в том, что они ограничены географически, как геотермальные и приливные, либо имеют небольшую выработку, позволяющую обеспечить электроэнергией ограниченное количество людей.

При рассмотрении приведенных выше источников электрогенерации, а также их преимуществ и недостатков, можно заключить, что для географических и климатических условий Омской области наиболее подходящими видами производства электроэнергии являются:

  • тепловые электростанции (ТЭС), которые на сегодняшний день являются основным видом электрогенерации в Омской области;

  • солнечные электростанции – на сегодняшний день на Омском нефтеперерабатывающем заводе уже установлена солнечная электростанция небольшой мощности;

  • гидроэлектростанция – изучается возможность строительства небольшой ГЭС на Красногорском гидроузле под Омском;

  • атомная электростанция – изучается возможность её строительства в одной из областей Сибирского федерального округа.

  1. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

После теоретического изучения современных методов электрогенерации, их преимуществ и недостатков, необходимо установить: насколько данные типы электростанций подходят для нашего региона – Омской области –, и соответствуют ли они ожиданиям/опасениям жителей области.

Для сбора общественного мнения мной и моими родителями был проведен опрос среди друзей-одноклассников моего брата и коллег по работе моих родителей. Опрос состоял из двух блоков: первый блок направлен на выяснение информированности людей о вопросах энергетики, а второй блок направлен на выяснение личных предпочтений по типу строительства новой электростанции. Вопросы по второму блоку задавались после краткого информирования опрашиваемых по существующим видам электростанций, их преимуществам и недостаткам. В опрос вошли следующие вопросы:

Блок 1:

  • Пользуетесь ли Вы в своей повседневной деятельности электроприборами?

  • Сталкивались ли Вы с проблемой отключения электричества у Вас дома или на работе?

  • Как Вы считаете, данные проблемы будут увеличиваться с ростом потребления электроэнергии из-за роста города и количества производств?

  • Какие виды электростанций Вы знаете?

Блок 2:

  • Какому виду электростанций Вы отдадите предпочтение при необходимости строительства в нашей области?

  • Какие риски при строительстве данного типа электростанций Вы видите?

В общей сложности было опрошено 25 человек (14 взрослых и 11 детей) и получены следующие ответы:

  • Все 25 человек ежедневно пользуются электроприборами.

  • 23 человека испытывали неудобства из-за внезапного отключения электричества.

  • 19 человек считают, что со временем проблемы с внезапными отключениями электричества или с ухудшением его качества будут усугубляться.

  • Ответы о знании видов электрогенерации разделились следующим образом: тепловые электростанции смогли назвать 14 взрослых и 5 детей, гидроэлектростанции – 13 взрослых и 2 детей, ветровые электростанции – 14 взрослых и 9 детей, солнечные электростанции – 14 взрослых и 7 детей, атомные электростанции – 14 взрослых и 6 детей.

  • По строительству новых электростанций были получены следующие ответы: за строительство тепловых электростанций свои голоса отдали бы 10 взрослых и 2 ребёнка, за гидроэлектростанции – 2 взрослых и 3 ребёнка, за ветровые электростанции – 0 взрослых и 2 детей, за солнечные электростанции – 1 взрослый и 2 детей, за атомную электростанцию – 1 взрослый и 2 детей.

  • Среди рисков при строительстве новых электростанций все опрошенные высказались о страхе возможных техногенных катастроф и последствий для экологии региона, при этом ссылаясь на непроверенные источники информации.

Подводя итоги вопроса, можно сделать вывод о том, что все опрошенные так или иначе сталкиваются с проблемами обеспечения электричеством: это могут быть внезапные отключения электричества или несоответствие его параметров установленным требованиям, из-за чего происходят поломки электроприборов. Большая часть опрошенных допускает ухудшение ситуации с электричеством в будущем и согласны с тем, что область нуждается в новых источниках электроэнергии. Выбор типа новой электростанции в большой степени зависит от осведомленности опрошенных о преимуществах и рисках, связанных с эксплуатацией этих электростанций, основывается на страхах, а не на фактах.

Во второй части своей практической работы я решил проверить работоспособность основных видов перспективных электростанций с использованием имеющихся в наличии средств и инструментов.

Гидроэлектростанция: поскольку принцип работы данного вида электростанций основан на преобразовании энергии движущейся воды, самый простой практический эксперимент, имитирующий работы электростанции, представляет собой воздействие струи воды на вертушку, которая под действием воды начинает вращаться, имитируя вращение турбины генератора.

Ветровая электростанция: поскольку принцип работы данного вида электростанций основан на преобразовании энергии вращения лопастей турбин в электричество, то для проведения эксперимента я решил использовать электронный конструктор «Знаток», в котором собрал электрическую схему, в которой вентилятор выступает в роли источника энергии, а индикатором появления электричества в цепи является лампочка.

Солнечная электростанция: поскольку принцип работы данного вида электростанций основан на преобразовании энергии солнечных лучей в электричество, я решил использовать электронный конструктор «Знаток», в котором собрал электрическую схему с использованием солнечных батарей, служащих преобразователями солнечного света в электричество, а в роли индикатора появления электричества в цепи является лампочка.

Атомная электростанция: поскольку принцип работы данного вида электростанций основан на преобразовании энергии, выделяющейся при делении ядер тяжёлых трансурановых элементов, в тепловую энергию, то провести данный опыт в домашних условиях не представляется возможным. Однако дальнейший принцип преобразования тепла горячей воды, пара или других теплоносителей в электричество схож с принципами тепловых электростанций. В текущем году мне удалось побывать на стройке настоящей экспериментальной атомной электростанции Брест-ОД-300 в городе Северске Томской области, про которую президент Российской Федерации Владимир Владимирович Путин в сентябре текущего года сказал следующее: «Уже в 2030 году мы в России, в Томской области, планируем запустить первую в мире ядерную энергетическую систему с замкнутым топливным циклом. Это по-настоящему революционная разработка отечественных ученых и инженеров.»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью данной исследовательской работы было определение наиболее перспективных источников электроэнергии для Омской области.

В ходе выполнения исследовательской работы мною были выполнены следующие задачи:

  • Изучена литература об энергетике, просмотрены мультипликационные фильмы, посвященные принципам работы электростанций.

  • Рассмотрены основные виды электростанций, используемых в настоящее время в нашей стране

  • Проведено сравнение наиболее перспективных видов источников энергии, рассмотрены преимущества и недостатки.

  • Проведено анкетирование жителей Омска по вопросам их предпочтений в выборе потенциальных источников электроэнергии.

  • Выполнены эксперименты, доказывающие возможность получения электроэнергии вышеописанными способами.

По итогам проведенных исследований мною сделан вывод о том, что оптимальным вариантом для обеспечения Омской области электроэнергией является комплексная работы электростанций нескольких типов, таких как: тепловые электростанции, небольшие гидроэлектростанции и солнечные электростанции, а также наличие в регионе атомной электростанции, которая позволит обеспечивать стабильность поставок электричества в случае форс-мажоров.

В перспективе возможно дальнейшее развитие исследовательской работы по определению оптимальной пропорции данных видов энергетики в энергобалансе Омской области с учетом климатических и географических особенностей.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Источники энергии // Почемучка. Бибигон. 2012. № 49.

  2. Как работает атомная энергия // Почемучкам обо всём на свете. 2022. №12. С.4.

  3. Как работает атомная электростанция // Юный эрудит. 2023. №1. С. 16–17.

  4. Малов В.И. Что такое электричество. М.: Аванта, 2023. – 48с.

  5. Откуда в розетке электричество // Почемучкам обо всём на свете. 2023. №5. С.4.

  6. Сила ветра. Как использовать энергию ветра? // Научно-популярный журнал для детей «ДУМАЙ КИДС». 2023. №18. С. 24–29.

  7. Синев Н.М., Батуров Б.Б. Экономика атомной энергетики: Основы технологии и экономики ядерного топлива. М.: Энергоатомиздат, 1984. – 392с.

  8. Электрический ток // Почемучка. Бибигон. 2012. № 34.

  9. Энергия из воздуха. Ветровые электростанции, их сильные и слабые стороны // Юный эрудит. 2023. № 4. С. 24–27.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

АНКЕТЫ СОЦИАЛЬНОГО ОПРОСА

ПРИЛОЖЕНИЕ № 2

ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ АНКЕТЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ЭКСПЕРИМЕНТ С ИМИТАЦИЕЙ РАБОТЫ

ВЕТРОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ЭКСПЕРИМЕНТ С ИМИТАЦИЕЙ РАБОТЫ

СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

ЭКСПЕРИМЕНТ С ИМИТАЦИЕЙ РАБОТЫ

ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

СТРОИТЕЛЬСТВО АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ БРЕСТ-ОД-300

В ГОРОДЕ СЕВЕРСК ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ

Просмотров работы: 22