Nie jest tajemnicą, że zasoby wykorzystywane obecnie przez ludzkość są skończone, ponadto ich dalsze wydobycie i wykorzystanie może prowadzić nie tylko do powstania energii, ale także do katastrofy ekologicznej. Zasoby tradycyjnie wykorzystywane przez ludzkość – węgiel, gaz i ropa – wyczerpią się za kilkadziesiąt lat, a środki należy podjąć teraz, w naszych czasach. Oczywiście możemy mieć nadzieję, że znowu znajdziemy jakieś bogate złoża, tak jak to było w pierwszej połowie ubiegłego wieku, ale naukowcy są pewni, że tak duże złoża już nie istnieją. Ale w każdym razie nawet odkrycie nowych złóż tylko opóźni nieuniknione, konieczne jest znalezienie sposobów na wytwarzanie alternatywnej energii i przejście na odnawialne źródła, takie jak wiatr, słońce, energia geotermalna, energia przepływu wody i inne, a wraz z nimi dlatego konieczne jest dalsze rozwijanie energooszczędnych technologii.
W tym artykule rozważymy niektóre z najbardziej obiecujących, zdaniem współczesnych naukowców, pomysłów, na których zostanie zbudowana energia przyszłości.
Stacje słoneczne
Ludzie zastanawiali się od dawna, czy możliwe jest wykorzystanie energiisłońce na ziemi. Woda była podgrzewana na słońcu, ubrania i ceramika suszone przed wysłaniem do pieca, ale metod tych nie można nazwać skutecznymi. Pierwsze środki techniczne do konwersji energii słonecznej pojawiły się w XVIII wieku. Francuski naukowiec J. Buffon pokazał eksperyment, w którym udało mu się podpalić suche drzewo za pomocą dużego wklęsłego lustra przy dobrej pogodzie z odległości około 70 metrów. Jego rodak, słynny naukowiec A. Lavoisier, wykorzystał soczewki do koncentracji energii słonecznej, a w Anglii stworzyli dwuwypukłe szkło, które skupiając promienie słoneczne, stopiło żeliwo w ciągu zaledwie kilku minut.
Przyrodnicy przeprowadzili wiele eksperymentów, które dowiodły, że wykorzystanie energii słonecznej na Ziemi jest możliwe. Jednak bateria słoneczna, która przekształca energię słoneczną w energię mechaniczną, pojawiła się stosunkowo niedawno, w 1953 roku. Została stworzona przez naukowców z amerykańskiej Narodowej Agencji Aeronautycznej. Już w 1959 roku po raz pierwszy zastosowano baterię słoneczną do wyposażenia satelity kosmicznego.
Być może nawet wtedy, zdając sobie sprawę, że takie baterie są znacznie wydajniejsze w kosmosie, naukowcy wpadli na pomysł stworzenia kosmicznych stacji słonecznych, ponieważ w ciągu godziny słońce generuje tyle samo energii, co cała ludzkość nie zużywa w ciągu roku, więc dlaczego nie skorzystać z tego? Jaka będzie energia słoneczna przyszłości?
Z jednej strony wydaje się, że wykorzystanie energii słonecznej jest idealnym rozwiązaniem. Jednak koszt ogromnej kosmicznej stacji słonecznej jest bardzo wysoki, a poza tym będzie droga w eksploatacji. Więcczas, kiedy zostaną wprowadzone nowe technologie dostarczania towarów w kosmos, a także nowe materiały, realizacja takiego projektu stanie się możliwa, ale na razie możemy używać tylko stosunkowo niewielkich baterii na powierzchni planety. Wielu powie, że to też jest dobre. Tak, jest to możliwe w warunkach prywatnego domu, ale odpowiednio do zaopatrzenia w energię dużych miast potrzeba albo dużo paneli słonecznych, albo technologii, która sprawi, że będą bardziej wydajne.
Strona ekonomiczna problemu jest tu również obecna: każdy budżet bardzo ucierpi, jeśli zostanie mu powierzone zadanie przekształcenia całego miasta (lub całego kraju) w panele słoneczne. Wydawałoby się, że można zobowiązać mieszkańców miast do zapłacenia pewnych kwot na doposażenie, ale w tym przypadku będą niezadowoleni, bo gdyby ludzie byli gotowi ponieść takie wydatki, już dawno by to zrobili: każdy ma możliwość zakupu baterii słonecznej.
Istnieje inny paradoks dotyczący energii słonecznej: koszty produkcji. Bezpośrednia konwersja energii słonecznej na energię elektryczną nie jest najbardziej wydajną rzeczą. Jak dotąd nie znaleziono lepszego sposobu niż wykorzystanie promieni słonecznych do podgrzewania wody, która zamieniając się w parę, obraca prądnicę. W tym przypadku straty energii są minimalne. Ludzkość chce używać „zielonych” paneli słonecznych i stacji słonecznych do oszczędzania zasobów na Ziemi, ale taki projekt wymagałby ogromnej ilości tych samych zasobów i „nie-zielonej” energii. Na przykład we Francji niedawno zbudowano elektrownię słoneczną o powierzchni około dwóch kilometrów kwadratowych. Koszt budowy wyniósł około 110 milionów euro, nie wliczając kosztów operacyjnych. Przy tym wszystkim należy mieć na uwadze, że żywotność takich mechanizmów wynosi około 25 lat.
Wiatr
Energia wiatru jest również wykorzystywana przez ludzi od starożytności, najprostszym przykładem są żeglarstwo i wiatraki. Wiatraki są nadal w użyciu, zwłaszcza na obszarach o stałych wiatrach, takich jak wybrzeże. Naukowcy nieustannie wysuwają pomysły, jak zmodernizować istniejące urządzenia do przetwarzania energii wiatru, jednym z nich są turbiny wiatrowe w postaci szybujących turbin. Dzięki ciągłej rotacji mogły „wisieć” w powietrzu w odległości kilkuset metrów od ziemi, gdzie wiatr jest silny i stały. Pomogłoby to w elektryfikacji obszarów wiejskich, gdzie wykorzystanie standardowych wiatraków nie jest możliwe. Dodatkowo takie szybujące turbiny mogłyby być wyposażone w moduły internetowe, które zapewniłyby ludziom dostęp do sieci World Wide Web.
Pływy i fale
Boom na energię słoneczną i wiatrową stopniowo zanika, a inna energia naturalna przyciągnęła zainteresowanie badaczy. Bardziej obiecujące jest wykorzystanie przypływów i odpływów. Już około stu firm na całym świecie zajmuje się tym problemem, a istnieje kilka projektów, które dowiodły skuteczności tej metody wydobywczej. Elektryczność. Przewaga nad energią słoneczną polega na tym, że straty podczas transferu jednej energii do drugiej są minimalne: fala pływowa obraca ogromną turbinę, która generuje prąd.
Projekt Oyster to pomysł zainstalowania na dnie oceanu zaworu na zawiasach, który przeniesie wodę na brzeg, obracając w ten sposób prostą turbinę hydroelektryczną. Tylko jedna taka instalacja może dostarczać energię elektryczną do małej dzielnicy.
W Australii już z powodzeniem wykorzystuje się fale pływowe: w mieście Perth zainstalowano zakłady odsalania działające na tego typu energię. Ich praca pozwala zaopatrzyć w świeżą wodę około pół miliona ludzi. Energię naturalną i przemysł można również połączyć w tej branży produkcji energii.
Wykorzystanie energii pływów różni się nieco od technologii, do których przywykliśmy w elektrowniach wodnych rzecznych. Często elektrownie wodne szkodzą środowisku: sąsiednie terytoria są zalewane, ekosystem jest niszczony, ale stacje działające na falach pływowych są pod tym względem znacznie bezpieczniejsze.
Energia ludzka
Jeden z najbardziej fantastycznych projektów na naszej liście można nazwać wykorzystaniem energii żyjących ludzi. Brzmi oszałamiająco, a nawet trochę przerażająco, ale nie wszystko jest takie przerażające. Naukowcy pielęgnują pomysł wykorzystania mechanicznej energii ruchu. Projekty te dotyczą mikroelektroniki i nanotechnologii o niskim zużyciu energii. Choć brzmi to jak utopia, nie ma prawdziwych zmian, ale pomysł jest bardzociekawe i nie opuszcza umysłów naukowców. Zgadzam się, bardzo wygodne będą urządzenia, które podobnie jak zegarki z automatycznym naciągiem będą ładowane z tego, że czujnik jest przeciągany palcem, albo z tego, że tablet czy telefon po prostu dynda w torbie podczas chodzenia. Nie wspominając już o ubraniach, które wypełnione różnymi mikrourządzeniami mogą zamieniać energię ludzkiego ruchu w energię elektryczną.
Na przykład w Berkeley, w laboratorium Lawrence'a, naukowcy próbowali zrealizować pomysł wykorzystania wirusów do przekształcania energii ciśnienia w energię elektryczną. Są też małe mechanizmy napędzane ruchem, ale do tej pory taka technologia nie została wprowadzona na rynek. Tak, globalnego kryzysu energetycznego nie da się rozwiązać w ten sposób: ilu ludzi będzie musiało „handlować”, aby cały zakład działał? Ale jako jeden z miar stosowanych w połączeniu, teoria jest całkiem realna.
Zwłaszcza takie technologie sprawdzą się w trudno dostępnych miejscach, na stacjach polarnych, w górach i tajdze, wśród podróżników i turystów, którzy nie zawsze mają możliwość naładowania swoich gadżetów, ale utrzymywanie kontaktu jest ważne, zwłaszcza jeśli grupa znalazła się w krytycznej sytuacji. Ile można by zapobiec, gdyby ludzie zawsze mieli niezawodne urządzenie komunikacyjne, które nie polegałoby na "wtyczce".
Wodorowe ogniwa paliwowe
Być może każdy właściciel samochodu, patrząc na wskaźnik ilości benzyny zbliżającej się do zera, miałmyśl o tym, jak wspaniale byłoby, gdyby samochód jeździł po wodzie. Ale teraz jego atomy zwróciły uwagę naukowców jako rzeczywiste obiekty energii. Faktem jest, że cząsteczki wodoru - najpowszechniejszego gazu we wszechświecie - zawierają ogromną ilość energii. Co więcej, silnik spala ten gaz praktycznie bez produktów ubocznych, co oznacza, że otrzymujemy bardzo przyjazne dla środowiska paliwo.
Wodór jest zasilany przez niektóre moduły ISS i promy, ale na Ziemi występuje głównie w postaci związków, takich jak woda. W latach osiemdziesiątych w Rosji rozwijano samoloty wykorzystujące wodór jako paliwo, technologie te zostały nawet wprowadzone w życie, a modele eksperymentalne dowiodły ich skuteczności. Kiedy wodór jest odseparowany, przemieszcza się do specjalnego ogniwa paliwowego, po czym można bezpośrednio wytwarzać energię elektryczną. To nie jest energia przyszłości, to już jest rzeczywistość. Podobne samochody są już produkowane i to w dość dużych partiach. Honda, aby podkreślić wszechstronność źródła energii i samochodu jako całości, przeprowadziła eksperyment, w wyniku którego samochód został podłączony do domowej sieci elektrycznej, ale nie w celu doładowania. Samochód może zasilać prywatny dom przez kilka dni lub przejechać prawie pięćset kilometrów bez tankowania.
Jedyną wadą takiego źródła energii w tej chwili jest stosunkowo wysoki koszt takich przyjaznych dla środowiska samochodów i oczywiście dość mała liczba stacji wodorowych, ale wiele krajów już planuje je budować. Na przykład wNiemcy już planują zainstalować 100 stacji paliw do 2017 roku.
Ciepło ziemi
Przekształcanie energii cieplnej w elektryczność to istota energii geotermalnej. W niektórych krajach, gdzie trudno jest wykorzystać inne branże, jest on stosowany dość szeroko. Na przykład na Filipinach 27% całej energii elektrycznej pochodzi z elektrowni geotermalnych, podczas gdy na Islandii liczba ta wynosi około 30%. Istota tej metody wytwarzania energii jest dość prosta, mechanizm podobny do prostego silnika parowego. Przed rzekomym „jeziorem” magmy konieczne jest wywiercenie studni, przez którą dostarczana jest woda. W kontakcie z gorącą magmą woda natychmiast zamienia się w parę. Wznosi się tam, gdzie obraca mechaniczną turbinę, wytwarzając w ten sposób energię elektryczną.
Przyszłością energii geotermalnej jest znajdowanie dużych „magazyn” magmy. Na przykład we wspomnianej Islandii udało się: w ułamku sekundy gorąca magma zamieniła całą pompowaną wodę w parę o temperaturze około 450 stopni Celsjusza, co jest absolutnym rekordem. Taka para o wysokim ciśnieniu może kilkukrotnie zwiększyć wydajność elektrowni geotermalnej, może stać się impulsem do rozwoju energii geotermalnej na całym świecie, zwłaszcza na obszarach nasyconych wulkanami i źródłami termalnymi.
Wykorzystanie odpadów nuklearnych
Energia jądrowa kiedyś zrobiła plusk. Tak było, dopóki ludzie nie zdali sobie sprawy z niebezpieczeństwa tej branżyenergia. Wypadki są możliwe, nikt nie jest odporny na takie przypadki, ale są one bardzo rzadkie, ale odpady promieniotwórcze pojawiają się systematycznie i do niedawna naukowcy nie potrafili rozwiązać tego problemu. Faktem jest, że pręty uranowe – tradycyjne „paliwo” elektrowni jądrowych, mogą być używane tylko w 5%. Po rozpracowaniu tej małej części cała wędka jest wysyłana na „składowisko”.
Wcześniej stosowano technologię, w której pręty były zanurzane w wodzie, która spowalnia neutrony, utrzymując stałą reakcję. Teraz zamiast wody zastosowano płynny sód. Ta wymiana pozwala nie tylko na wykorzystanie całej objętości uranu, ale także na przetworzenie dziesiątek tysięcy ton odpadów radioaktywnych.
Ważne jest, aby pozbyć się z planety odpadów nuklearnych, ale w samej technologii jest jedno „ale”. Uran to surowiec, a jego zasoby na Ziemi są ograniczone. Jeśli cała planeta zostanie przełączona wyłącznie na energię otrzymywaną z elektrowni jądrowych (na przykład w Stanach Zjednoczonych elektrownie jądrowe wytwarzają tylko 20% całej zużywanej energii elektrycznej), rezerwy uranu dość szybko się wyczerpią, a to ponownie doprowadzi ludzkość do progu kryzysu energetycznego, a więc energetyka jądrowa, choć zmodernizowana, jest tylko środkiem doraźnym.
Paliwo roślinne
Nawet Henry Ford, który stworzył swój „Model T”, spodziewał się, że będzie on już działał na biopaliwach. Jednak w tym czasie odkryto nowe pola naftowe, a zapotrzebowanie na alternatywne źródła energii zniknęło na kilkadziesiąt lat, ale terazz powrotem.
W ciągu ostatnich piętnastu lat zużycie paliw roślinnych, takich jak etanol i biodiesel, wzrosło kilkakrotnie. Są wykorzystywane jako niezależne źródła energii oraz jako dodatki do benzyny. Jakiś czas temu nadzieje wiązano ze szczególną kulturą prosa, zwaną „canola”. Jest całkowicie nieodpowiedni do jedzenia dla ludzi lub zwierząt gospodarskich, ale ma wysoką zawartość oleju. Z tego oleju zaczęli produkować „biodiesel”. Ale ta uprawa zajmie zbyt dużo miejsca, jeśli spróbujesz wyhodować jej wystarczająco dużo, aby zasilić przynajmniej część planety.
Teraz naukowcy rozmawiają o wykorzystaniu alg. Ich zawartość oleju wynosi około 50%, dzięki czemu równie łatwo można go wydobyć, a odpady można przerobić na nawozy, na bazie których będą hodowane nowe glony. Pomysł jest uważany za interesujący, ale jego wykonalność nie została jeszcze udowodniona: publikacja udanych eksperymentów w tej dziedzinie nie została jeszcze opublikowana.
Fuzja
Przyszła energia świata, według współczesnych naukowców, jest niemożliwa bez technologii syntezy termojądrowej. Jest to obecnie najbardziej obiecujący rozwój, w który zainwestowano już miliardy dolarów.
Elektrownie jądrowe wykorzystują energię rozszczepienia. Jest to niebezpieczne, ponieważ istnieje groźba niekontrolowanej reakcji, która zniszczy reaktor i doprowadzi do uwolnienia ogromnej ilości substancji radioaktywnych: być może wszyscy pamiętają wypadek w elektrowni jądrowej w Czarnobylu.
W reakcjach fuzji, któreJak sama nazwa wskazuje, wykorzystywana jest energia uwalniana podczas fuzji atomów. W rezultacie, w przeciwieństwie do rozszczepienia atomowego, nie powstają żadne odpady radioaktywne.
Głównym problemem jest to, że w wyniku fuzji powstaje substancja, która ma tak wysoką temperaturę, że może zniszczyć cały reaktor.
Ta energia przyszłości jest rzeczywistością. A fantazje są tu nie na miejscu, w tej chwili budowa reaktora już się rozpoczęła we Francji. Kilka miliardów dolarów zostało zainwestowanych w pilotażowy projekt finansowany przez wiele krajów, do których oprócz UE należą Chiny i Japonia, USA, Rosja i inne. Początkowo planowano rozpoczęcie pierwszych eksperymentów już w 2016 roku, ale obliczenia wykazały, że budżet był zbyt mały (zamiast 5 miliardów zajęło to 19), a start przesunięto o kolejne 9 lat. Być może za kilka lat zobaczymy, do czego zdolna jest energia termojądrowa.
Wyzwania teraźniejszości i szanse na przyszłość
Nie tylko naukowcy, ale i pisarze science fiction podają wiele pomysłów na wdrożenie technologii przyszłości w energetyce, ale wszyscy zgadzają się, że jak dotąd żadna z proponowanych opcji nie jest w stanie w pełni zaspokoić wszystkich potrzeb naszej cywilizacji. Na przykład, gdyby wszystkie samochody w Stanach Zjednoczonych jeździły na biopaliwa, pola rzepaku musiałyby zajmować powierzchnię równą połowie całego kraju, niezależnie od tego, że w Stanach nie ma zbyt wielu gruntów nadających się pod uprawę. Ponadto do tej pory wszystkie metody produkcjienergia alternatywna - drogi. Być może każdy zwykły mieszkaniec miasta zgadza się, że ważne jest, aby korzystać z przyjaznych dla środowiska, odnawialnych zasobów, ale nie wtedy, gdy w danym momencie mówi się o kosztach takiej zmiany. W tej dziedzinie naukowcy mają jeszcze wiele do zrobienia. Nowe odkrycia, nowe materiały, nowe pomysły - wszystko to pomoże ludzkości skutecznie poradzić sobie z nadciągającym kryzysem zasobów. Problem energetyczny planety można rozwiązać tylko za pomocą kompleksowych środków. W niektórych obszarach wygodniej jest korzystać z energii wiatrowej, gdzieś - z paneli słonecznych i tak dalej. Ale być może głównym czynnikiem będzie zmniejszenie zużycia energii w ogóle i tworzenie energooszczędnych technologii. Każda osoba musi zrozumieć, że jest odpowiedzialna za planetę i każdy musi zadać sobie pytanie: „Jaką energię wybieram na przyszłość?” Zanim przejdziemy do innych zasobów, każdy powinien zdać sobie sprawę, że jest to naprawdę konieczne. Tylko dzięki zintegrowanemu podejściu możliwe będzie rozwiązanie problemu zużycia energii.
