Джерел енергії в екологічно чистих будинках.

Основою розвитку сучасної цивілізації є енергетика, або паливно-енергетичний комплекс. Від стану енергетики залежать темпи науково-технічного прогресу, інтенсифікації виробництва й життєвий рівень людей. Темпи виробництва енергії в світі нині перевищують темпи зростання населення й становлять щорічно близько 3%. Швидке нарощування енерггетичних потужностей зумовлене необхідністю індустріалізації, збільшенням виробництва споживчих товарів, енерговитрат на одиницю продукції в сільському господарстві й особливо в гірничорудній промисловості.

Джерела енергії, що їх використовує людство, поділяються на відновлювані і невідновлювані. До першої групи належать енергія Сонця, вітру, гідроенергія рік, різні види океанічної енергії(морських хвиль, припливів, різниці температур), а також геотермальна енергія (інутрішнє тепло Землі). Невідновлюваними джерелами енергії є викопне паливо, ядерна енергія поділу урану й термоядерна енергія, ще не освоєна промисловістю.

Ці дві групи різняться за впливом на біосферу. Відновлювані джерела постійно діють у біосфері й їх використання не призводить до зміни теплового балансу Землі – людина лише перетворює одні види енергії на інші. Наприклад, енергія Сонця, яка нагріває будь-яку поверхню, перетворюється на електроенергію й лише потім трансформується в тепло – загальна ж кількість тепла в біосфері не змінюється.

Використання невідновлюваних джерел енергії призводить до додаткового нагрівання навколишнього середовища. Розрахунки вчених свідчать, що виробництво хімічної, ядерної й термоядерної енергії в кількості. що дорівнює всього 1% тієї, яку Земля одержує від Сонця, призведе до збільшення середньої температури біосфери приблизно на 1⁰С.

Таке підвищення температури вкрай небажане, бо матиме глобальні катастрофічні наслідки для клімату Землі й розподілу на ній суші й моря, а також для рослинного і тваринного світу.

Індустріально-міські екосистеми, що існують завдяки паливу – це верхівка досягнень людства. В індустріальних містах висококонцентрована енергія палива не доповнює, а замінює сонячну енергію. Харч – продукт систем, що рухаються Сонцем – в місто ввозять зовні. Особливістю цих екосистем є величезна потреба щільно населених міських районів в енергії – вона на два-три порядки більше, ніж в природних екосистемах. Якщо в природних екосистемах приток енергії коливається від 10³ до 10⁴ ккал м²/рік, то в великих індустріальних містах споживання енергії досягає кількох мільйонів ккал на 1 м².

Споживання енергії людиною в місті в середньому складає більш ніж 80 млн ккал /рік.Для харчування йому потрібно всього лише 1 млн ккал/рік. отже на всі інші види діяльності (домашнє господарство, транспорт, промисловість) людина витрачає у 80 разів більше енергії, ніж потрібно їй для фізіологічного існування організму.

Основним методом одержання енергії на сьогодні є спалювання вугілля, нафти, природного газу, горючих сланців та інших видів імнерального палива. Приблизно 70% всієї енергії виробляється тепловими електростанціями – потужними забруднювачами навколишнього середовища продуктами згоряння.

Спалювання мінеральної сировини є надзвичайно нераціональним методом одержання енергії. Справа в тому, що ця сировина, особливо нафта, є дуже цінною для хімічного синтезу. За рахунок переробки вуглеводнів можна одержати багато цінних продуктів і виробів – синттетичні тканини й каучук, пластмаси, добрива, фарби, тощо.

Забезпечення паливом є однією із злободенних пробелм України. За даними НАН України (1991р.) наша держава забезпечена власним вугіллям на 95%, природним газом – на 22% і нафтою – на 8%. На думку деяких фахівців, протягом найближчих років Україна зможе забезпечити свою економіку та побутові потреби мінімум на 50% власним газом і на 26% - власною нафтою.

У паливно-енергетичному балансі нашої країни провідне місце посідає кам’яне вугілля. Його промислові запаси зосереджені в донбасі (49,8 млрд т) і Львівсько-Волинському басейні (0,8 млрд т). Донецьке вугілля відзначається високою якіст (40% його запасів становить найцінніше коксівне вугілля, 10% - антрацит).

Економіка України майже повністю залежить від імпорту нафти, хоча не виключено відкриття нових її родовищ у Дніпровсько-Донецькій западині й особливо в межах шельфу Чорного моря. Деякою альтернативою можуть бути родовища горючих сланців Болтиського родовища і менілітові сланці Карпат, промислове значення яких раніше занижувалося через надходження дешевої сибірської нафти.

Внаслідок спалювання великої кількості мінерального палива мають місце значні зміни навколишнього середовища. Утворений при спалюванні викопного палива вуглекислий газ у великих кількостях викидається в атмосферу і може спричинитися до виникнення парнікового ефекту.

Проте більш небезпечними є викиди з труб ТЕС в атмосферу оксидів сірки та азоту. Вони є причиною випадіння кислотних дощів. Кількість викидів оксидів сірки й азоту останнім часом зростає. Це зумовлено недостатнім очищенням топочних газів і оскільки такі забруднення нині досягли планетарних масштабів, гостро постала проблема очищення газів, що викидаються ТЕС.

Поряд із забрудненням атмосфери викиди з топок ТЕС часток золи й шлаку забруднюють сільськогосподарські землі й водойми, становлять загрозу здоров’ю людини. Потреби паливно-енергетичного комплексу у великій кількості вугілля зумовлюють масштаби добування цього вида сировини. Сотні гектарів займають відвали пустих порід вугільних шахт, а також шлаків і золи поблизу ТЕС. В Україні з її багатими родючими чорноземами таке вилучення грунтів особливо шкідливе. На одному лише Донбасі відвали і відпрацьовані кар’єри займають площу в 50тис. га.

Боротьба з цим видом забруднення середовища повинна носити насамперед економічний характер. Треба зробити так, щоб гірничим підприємствам і ТЕС було невигідно займати великі площі родючих земель під відвали. Тоді. безумовно, з’являться широкомасштабні методи утилізації пустих порід і шлаків, зокрема, для будівництва дорожних покрить, створення будівельних матеріалів.

Безперервне зростання потреб людства в енергії, обмеженість запасів викопного палива і забруднення навколишнього середовища продуктами його згоряння вимагають вчених шукати нові енергетичні джерела. Одне з найбільш перспективних джерел – невичерпне випромінювання Сонця. Сонячної енергії, що надходить на земну поверхню, в 14-20 тис. разів більше сучасного рівня світового енергоспоживання. Переваги сонячної енергії добре відомі: доступність, практична невичерпність, відсутність бічних, забруднюючих навколишнє середовище впливів. Добре відомі і її вади: низька щільність і нерівномірність надходження на поверхню Землі, що пов'я’ана з погодою та часом доби.

Зараз в основному експлуатується три типи перетворювачів сонячної енергії:

-сонячні панелі або колектори, що встановлюються на стріхах, виготовлені із скла та мідних труб. Рідина в трубах поглинає сонячне тепло і спрямовується в теплообмінник, звідси тепло й горяча вода надходять у житлові приміщення;

-фотоелектричні елементи з кремнію або сульфіду кадмію, що перетворюють сонячне проміння безпосередньо в електрику;

-потужні вежі або сонячні пічки, в яких використовується багато дзеркал, що керуються компьютером. Ці дзеркала слідкують за Сонцем і фокусують його проміння на великі парові котлоагрегати електростанцій.

В обмежених масштабах сонячна енергія вже використовується в житлових будинках і інших спорудах в різних районах світу. Найбільш відомим прикладом слугують сонячні нагрівники, що встановлюються на стріхах і забезпечують дешеву гарячу воду для побутових потреб.

Ще одним альтернативним джерелом енергії є енергія вітру. За підрахунками вчених загальний вітро-енергетичний потенціал Землі в 30 разів перевищує річне споживання електроенергії в усьому світі. Проте, використовується лише мізерна частка цієї енергії. Але так було не завжди. В дореволюційній Росії налічувалося біля 30 тис. вітряків. Можливості використання цього виду енергії в різних місцях Землі неоднакові.Для нормальної роботи вітрових двигунів швидкість вітру не повинна в середньому за рік падати нижче 4-5 м/с, а краще, коли вона становить 6-8 м/с. Найбільш сприятливі зони для використання вітрової енергії – узбережжя морів і океанів, степи, тундра, гори. В межах України такими ділянками є узбережжя Чорного моря, особливо Крим, а також Карпати, південні степові райони. Під час роботи вітрових станцій навколишє середовище не зазнає жодних забруднень. Єдині негативні впливи – це низькочастотний шум (гудіння) працюючих вітряків.

Світовий океан містить велетенський енергетичний потенціал. Це, по-перше, енергія Сонця, поглинута океанською водою, що виявляється в енергії морських течій, хвиль, прибою, різниці температур різних шарів морської води, і, по-друге, енергія тяжіння Місяця й Сонця, яка спричиняє морські припливи і відливи. Використовується цей великий і екологічно чистий потенціал ще вкрай мало.

Усі типи морських хвильових електростанцій, що будуються і діють сьогодні, побудовані за єдиним принципом: у спеціальному буї-поплавку під дією хвилі коливається рівень води. Це призводить до стискання в ньому повітря, яке рухає турбіну. В експериментальних електростанціяхнавіть невеликі хвилі висотою в 35см примушують турбіну розвивати швидкість понад 2 тис. обертів за хвилину. Метрової висоти хвиля забезпечує від 25 до 30 кВт енергії.

Іншим різновидом морських електростанцій є прилади, що перетворюють енергію морського прибою. Ці електростанції використовують принцип закачки води в резервуар, розташований вище рівня моря. Ця вода потім падає униз і призводить до руху турбіни.

В океані подекуди досить близько розташовані шари води з різною температурою. Найбільш значною (22⁰С) різниця температур є в тропічній зоні Світового океану. На цьому явищі базується принцип одержання електроеергії. В спеціальний теплообмінник закачується насосами холодна глибинна вода й нагріта Сонцем поверхнева. Робочий агент (фреон)почергово випаровується та переходить у рідкий стан у різних частинах теплообмінника. Пари фреону рухають турбіну генератора.

Як відомо, із заглибленням під Землю зростає температура - приблизно на 30⁰С на кожний 1 км, а в вулканічних районах значно швидше.За оцінками фахівців, у земній корі до глибин 7-10 км акумульоване тепло, загальна кількість якого в 5 тис. разів перевищує теплоємкість усіх видів викопного палива, що є на Землі. Теоретично всього лише 1% тепла, що міститься в земній корі на глибині до 5 км, вистачило б для того, щоб вирішити всі енергетичні проблеми людства на найближчі 4 тис. років.

Нині, оцінюючи нову техніку, перевагу надають тим зразкам, які більш економно витрачають енергію. Енергозберігаючи технології, енергозбереження – це головний шлях сучасного виробництва в розвинутих країнах.

В будівництві це може бути возведення житлових будинків з підвищеною теплоізоляцією стін і міжповерхових перекриттів, а також з вікнами з потрійними віконними рамами. Звичайно, будівництво таких будинків буде обходитися дорожче, але опалення їх на 70% дешевше, тому додаткові витрати на теплоізоляцію цілком себе виправдовують.

Майбуднє у будівництві – це екологічно чисті споруди, які не вносять порушень в природний кругообіг речовин і енергії. Такі споруди повинні бути біопозитивними, тобто, не потребувати додаткових джерел енергії, що викликають зникнення невідновних ресурсів і забруднення середовища. Якщо біопозитивну споруду забезпечити енергією від відновлювальних джерел і утилізувати всі відходи, то кінець кінцем споруда стане екологічно чистою. Для забезпечення енергією можна використовувати всі види нетрадиційних відновних джерел енергії (НВДЕ) – Сонце, вітер, морські хвилі, геотермальна енергія, тощо.

З-за низької щільності всіх видів НВДЕ для їх утилізації треба створювати устаткування з великою площею. Одним з найбільш ефективних рішень є максимальне об’єднання житлових і виробничих споруд з приладами для перетворення НВДЕ, щоб не будувати споруд, що стоять окремо. При цьому можливе спрямоване змінення архітектурно-планувальних рішень споруд, щоб створити найкращі умови для утилізації НВДЕ – будівництво споруд криволінійної форми в плані, зміна конфігурації споруди за висотою, створення спеціальних проємів для концентрації вітрових потоків, тощо. В будівлях з використанням НВДЕ можуть бути передбачені наступні конструкції, об’єднані з несучими та відокремлюючими конструкціями споруд: геліоколектори; сонячні станції; сонячні абсорбери, повністю замінюючи стріхове покриття; спеціальні покриття на екранах лоджій, стін, оконних проємів;гідротермальні і геотермальні колектори у підвалах, тощо.

Максимальне об’єднання несучих і технологічних функцій конструкцій будівлі і приладів для НВДЕ дозволяє не тільки зменшити витрати землі, будівельних матеріалів, але й знизити довжину комунікацій. При цьому не знижується архітектурна виразність будівель і споруд.

Питання для самоконтролю.

Питання 4.13. Чи можна віднести процес розпаду ядра урану до відновних джерел енергії?

Так.

Ні.

Питання 4.14. Чи можна вважати , що використання відновних джерел енергії спричиняється до додаткового нагрівання навколишнього середовища?

Так.

Ні.

Питання 4.15. Чи можна сказати. що основним шляхом одержання енергії зараз є спалювання викопного палива?

Так.

Ні.

Загальний тест-контроль за темою

Запитання 4.1.

Чим вихід продукції в екосистемі відрізняється від виходу продукції в промислових процесах?

“А”. В промислових процесах реакція закінчується виробленням певної кількості продукції.

“Б”. В промислових процесах необхідна участь людини у виробництві продукції.

“В”. В промислових процесах вихід продукції вище.

Запитання 4.2.

В якому процесі в екосистемі здійснюється перехід енергії світла в теплову з участю живих організмів?

“А”. В процесі фотосинтезу.

“Б”. В процесі дихання-окислення.

“В”.В процесі м’язової діяльності.

Запитання 4.3.

Яка головна відзнака живої матерії від неживої у відношенні її до енергії?

“А”. Нежива матерія піддається розкладенню за допомогою організмів-редуцентів.

“Б”. Нежива матерія не може перетворювати енергію світла в тепло за допомогою процеса дихання-окислення.

“В”. Здатністю акумулювати з навколишнього простору вільну енергію і концентрувати її.

Запитання 4.4. Ким є людина в харчових ланцюгах?

“А”.Первинним консументом.

“Б”.Вторинним консументом.

“В”. І тим, і іншим.

Запитання 4.5.

На яких трофічних рівнях перебувають редуценти?

“А”. На початку ланцюгу.

”Б”. Наприкінці ланцюгу.

“В”. На всіх трофічних рівнях.

Запитання 4.6.

Чому трофічні ланцюги в природі дуже короткі?

“А”.Тому що на кожному трофічному рівні здійснюється розсіювання більшої частини використаної енергії.

“Б”. Тому що організми-редуценти розкладають органіку на першіх трофічних рівнях.

“В”. Тому що в природі більше автотрофнихорганізмів порівняно з гетеротрофними.

Запитання 4.7.

Чому мертва органічна речовина не нагромаджується на планеті?

“А”. Внаслідок діяльності організмів-редуцентів.

“Б”. Внаслідок утворення з неї корисних горючих копалин.

“В”. Внаслідок перетворення її в грунт.

Запитання 4.8.

Де розташована людина в харчовому ланцюгу?

“А”. Наприкінці ланцюгу після вторинних консументів .

“Б”. На початку ланцюгу.

“В”. На всіх ланках після автотрофів.

Запитання 4.9.

Що таке детрит?

“А”. Органічна речовина мертвих організмів.

“Б”. Горючи корисні копалини.

“В”. Донні відкладення в водоймищах.

Запитання 4.10.

Куди зникає основна кількість енергії при переході з одного трофічного рівня на інший?

“А”. Переходить у біомасу організмів цього рівня.

“Б”. Незворотньо загублюється.

“В”. Використовується на підтримування температури тіла організмів.

Тема 5.