Естественные ресурсы

Человечество для жизни стремилось и стремится использовать всю окружающую природу: энергию Солнца и недр Земли, воду и воздух, растительность и животный мир, уже известные их запасы и то, что еще предстоит открыть. На практике же люди используют не все многообразие богатств природы, а только то, что соответствует их потребностям и возможностям на данном уровне развития общества [4].

Первобытных людей было сравнительно мало на Земле, да и жили они среди нетронутой природы. Но, несмотря на это, доступных им ресурсов было немного: примитивными орудиями труда и охотой они могли добывать для себя лишь готовую пищу. Съедая ее, люди поддерживали мускульную энергию, которую они могли использовать. А каменный уголь, например, был для них бесполезным блестящим камнем, менее ценным, чем твердый кремень, пригодный для изготовления примитивных орудий.

Как распределяется и изменяется набор естественных ресурсов наглядно видно на примере "топлива".

Тысячелетиями человек сжигал лишь растения. За счет их тепла он обогревал жилье, готовил пищу, а потом стал плавить и закаливать металл. До начала XIX века вся металлургия работала на древесном угле.

Развитие металлургии и появление паровых машин потребовало новых источников топлива. Люди научились использовать каменный уголь, что спасло леса от полного истребления [4]. Да и каменный уголь стремятся все меньше использовать как топливо - тепловые электростанции переводят на низкие сорта мазута.

Еще в начале нашей эры люди были знакомы с маслянистой жидкостью - нефтью, использовали ее в лечебных целях, а также жгли в светильниках. Резко вырос спрос на нефть в связи с изобретением двигателя внутреннего сгорания, и сейчас нефть и нефте - продукты стали главным топливом человечества.

Во многих странах природные и попутные нефти газы не использовались, а сжигались в "факелах" (грели воздух) - технологически не умели ни собрать газ, ни транспортировать его на большие расстояния. Но уже сейчас нефть и газ в больших количествах используется в промышленности химического синтеза. Попутные газы при добычи нефти на современном этапе могут собирать и транспортировать на любые расстояния.

На смену бензину, дизельному топливу и другим источникам энергии как "топливо" для ядерных реакторов идет атомная энергия.

В историческом расширении круга ресурсов, в случае неправильного их использования, кроме потребностей человечества и его технических возможностей, есть еще и другая логика: люди стремились заменить более дефицитные ресурсы менее дефицитными, более рационально, с большей пользой использовать сырьё и энергию.

С этой точки зрения естественные ресурсы можно разделить:

- на возобновляемые (восполнимые);

- невозобновляемые (невосполнимые);

- неисчерпаемые.

Многие ресурсы природы возобновляются естественным путем, в ходе сложившегося на Земле круговорота веществ и энергии: пополняются источники пресных вод и почвенной влаги, восстанавливаются леса и т.п. При использовании возобновляемых ресурсов нужно учитывать скорость их возобновления [1].

К невозобновляемым ресурсам относятся богатства недр. Месторождения полезных ископаемых образовались давно - в прошлые геологические эпохи, при других природных условиях. На их создание ушло несколько миллиардов лет. Главные кладовые полезных ископаемых находятся в Земной коре, и по мере их раскрытия и разработки богатых месторождений становится меньше.

И все-таки с полезными ископаемыми положение человечества не представляется угрожающим. Трудности с отдельными видами их носят скорее местный характер. В целом открытые геологами запасы все время значительно опережают потребности. Более того, многие очень крупные месторождения еще ждут своей очереди: разрабатывать их в современных условиях менее выгодно, чем другие более доступные.

Кроме того, чтобы бережливо использовать существующие месторождения полезных ископаемых, требуется разработка новых технологий. Например, при обычной откачке нефти свыше 50% ее остаётся в пластах.

Для сбережения дефицитных невозобновляемых ресурсов важно вовремя подобрать их более распространенный заменитель. А перспектива здесь безгранична: ведь месторождения - это сгустки полезных веществ. В качестве потенциальных ресурсов можно назвать все воды мирового океана и природу Земли - в них в огромном количестве содержится вся таблица Менделеева. На современном этапе не существует достаточно дешевых технологий, позволяющих добывать полезные в энергетическом отношении вещества непосредственно из воды, воздуха, почвы.

Неисчерпаемые ресурсы. Эту группу образуют самые различные ресурсы: энергия Солнца, ветра, морских приливов, подземного тепла, круговорот воды и т.д. При использовании этих "вечных" ресурсов природы перед человечеством стоят чисто технические трудности.

Вполне вероятно, что ресурсы атомной энергии неисчерпаемы: уже сейчас запасы урановых руд на сотни лет обеспечивают потребности человечества. Не исключено, что люди научатся расщеплять природные вещества.

Вопросы для самопроверки

1) Дайте современное определение энергии.

2) Носителями какого вида энергии являются люди и животные?

3) Назовите природные носители механической энергии?

4) Что понимают под энергоресурсами?

5) Какие энергоресурсы называются возобновляющимися? Перечислите их в порядке значимости в современном энергобалансе.

6) Какие энергоресурсы называются не возобновляющимися? Перечислите их в порядке значимости в современном энергобалансе.

7) Какую первичную энергию традиционно получают при преобразовании не возобновляющихся энергоресурсов?

8) Какой закон лежит в основе преобразования одного вида энергии в другой?

9) Что понимают под энергетикой?

10) Что такое энергетическая техника?

ТЕМА 2

Гидро- и ветроэнергетика как начальный период развития

Энергетики

2.1. Предпосылки развития гидроэнергетики

Наиболее характерным энергоемким процессом, с которым впервые столкнулся человек, является подъем воды для орошения полей и размола зерна.

Орошение полей и размол зерна требовал от работников длительной, однообразной, изнурительной механической работы. Но, с другой стороны, именно в этой изнурительной повторяющейся работе, не требовавшей ни мышления, ни мастерства, заключалась возможность перехода к применению энергии прирученного животного или неорганической природы, и в первую очередь энергии воды. Так возникла гидроэнергетика, приведшая к замене человека-двигателя (животного-двигателя) механическим двигателем.

Первые сведения об использовании водоподъемных устройств можно отнести к 250 году до н.э, когда греческий ученый Архимед создал учение о гидростатике и использовал "винт" для перемещения воды. Но наибольшее распространение строительство водяных и ветряных мельниц получило лишь в X - XI веках н.э [1].

Время применения гидравлических двигателей насчитывает более чем двухтысячелетнюю историю и может быть разделено на несколько периодов.

Первый, самый длительный, продолжался от постройки первых водяных колес до середины 30-х годов XIX века. Он характеризуется применением водяных колес разной конструкции. Механическая энергия водяных колес использовалась либо на месте ее получения, либо при помощи механических устройств передавалась на небольшие расстояния (несколько десятков метров).

Второй - продолжался от середины 30-х годов до начала 90-х годов XIX века. Был осуществлен переход от водяного колеса к водяной турбине, изучались процессы, происходящие в ней, и усовершенствовалась ее конструкция. Водяное колесо сохранилось лишь в маломощных установках. Механическая энергия водяной турбины также использовалась на месте ее производства либо в непосредственной близости от нее [2].

Только решение проблемы передачи электрической энергии на расстояние положило начало новому этапу (XIX в.) в истории использования гидравлической энергии. При этом осуществлялось превращение механической энергии в энергию электрическую, передававшуюся к месту ее потребления на большие расстояния.

Водяные колеса

Первые гидравлические установки отражали ранние формы взаимодействия человека с окружающей средой - применение готовой энергии природы (без воздействия на нее).

Ранние водяные колеса очень просто сочленялись с водоподъемными установками : водяное колесо устанавливали на сваях, вбитых в дно реки, в движение оно приводилось сильным потоком воды. На ободе колеса размещались черпаки, поднимавшие и выливавшие воду в отводной желоб. Такие колеса использовали только скоростную составляющую энергии потока воды [1].

Более энергоемким было применение водяного колеса для зерновых мельниц, у которых между жерновами и водяным колесом сооружался передаточный механизм, обеспечивающий вращение водяного колеса вокруг горизонтальной оси, а жернова - вокруг вертикальной. Стремление обойтись без сложной механической передачи между валами, расположенными под прямым углом, привело к появлению водяных колес с вертикальным валом. Чтобы струя воды, направленная на лопатку колеса, не отклонялась силой тяжести, струе пришлось придать значительную скорость. Но при этом, падая на плоскую лопатку, струя воды сильно разбрызгивалась. Во избежание этого лопатки стали делать изогнутыми. Так возник прототип современных гидравлических турбин.

Увеличивалось число гидравлических установок, накапливался опыт. Недостаток в реках с соответствующей скоростью течения потребовал перехода к более целесообразному использованию водяных ресурсов. Началось сооружение плотин и деривационных комплексов, позволяющих использовать медленно текущие равнинные реки и создавать условия для более рачительного и эффективного использования гидроресурсов [3].

При наличии плотин использовать можно не только скорость потока, но и энергию положения.

Существенным недостатком водохранилищ является необходимость сбора воды в искусственном резервуаре и связанное с этим использование земельных участков, расположенных в месте создания плотины (затопление земель).

На территориях, не располагавших гидроресурсами, сооружались ветровые двигатели. Использование энергии ветра при движении судов известно с глубокой древности. Позднее появились ветровые установки для размола зерна. Однако крайняя неравномерность и низкая концентрация ветровой "готовой" энергии, а также трудности для дальнейшего аккумулирования механической энергии не позволяли энергии ветра занять заметное место в общем энергетическом балансе.

В сооружении же водяных колес был достигнут значительный прогресс. Для подъема руды из рудников в XVI веке применялись реверсивные водяные колеса.

В 1582 году в г.Лондоне были применены водоподъемные установки на реке Темзе, они состояли из 5 подъемных колес диаметром 6-7 метров, приводивших в движение ряд насосов, перекачивающих в сутки 18000 м3 воды [2].

В середине XVIII века на Алтае была сооружена уникальная гидроустановка для привода подъемных и транспортных устройств двух рудников. Установка представляла собой каскад с последовательно расположенными колесами, наибольшее из которых имело диаметр 17 м. Это было высшим достижение гидроэнергетики своего времени.