Материал для проведения открытого занятия «Энергия со школьной скамьи» для 7 класса в рамках проекта «Play Energe»

Enel в мире

Enel - это объединенный оператор, занимающийся производством и продажей электричества и газа :

чистая совокупная мощность в мире составляет около 97.000 МВт, компания обслуживает около 61 миллиона клиентов. Внимание компании направлено на ключевые области инноваций в сфере энергетики: от возобновляемых источников энергии до сокращения выбросов при обычных технологиях, от энергетической эффективности до интеллектуальных сетей, от аккумулирования энергии до электрической мобильности.

Enel в России

Работая в России с 2004г., компания Enel  сегодня является первым вертикально интегрированным участником рынка в стране. Используя на практике мировой подход к российскому рынку, Enel курирует всю систему поставки – от сектора разведки и добычи газа (разработка запасов сибирского газа совместно с компанией Eni) до сектора генерирования (приобретение генерирующей компании «ОГК-5» и подписания ряда договоров в секторе ядерной энергетики), продажи электричества (сотрудничество с торговой компанией «Русэнергосбыт») и распределение (установка первых электронных счетчиков).

Энел ОГК-5

ОАО «Энел ОГК-5» является ведущим российским оптовым производителем электрической и тепловой энергии. Компания была основана в 2004 г. в рамках концепции реформ в российской энергетике, направленной на создание эффективного конкурентного рынка и привлечение частных инвестиции в отрасль. ОАО «Энел ОГК-5» была первой из шести компаний оптового генерирования энергии, зарегистрированных на бирже и получивших доступ на рынки акционерного капитала. Сегодня ОАО «Энел ОГК К-5» - динамично развивающаяся компания с центральным офисом в Москве, имеющая четыре производственных филиала по всей России- в Уральском регионе - Рефтинская ГРЭС, Среднеуральская ГРЭС, на Северном Кавказе - Невинномысская ГРЭС, в Центральной России - Конаковская ГРЭС. Совокупная установленная мощность компании составляет 9 152 МВт для производства электричества и 2.746 Гкал*ч для выработки тепловой энергии. Компания обеспечивает электро- и теплоснабжение как промышленных предприятий, так и бытовых потребителей через местные распределительные сети.

Потребление и эффективность

На работе, дома, на улице мы периодически нажимаем на электрический выключатель и впускаем в нашу жизнь благо, без которого нельзя обойтись электрическую энергию. Для удобства, по привычке, для работы, для учебы, для развлечения... как отказаться от света, от звуков музыки, от стирки в стиральной машине, от прохладного напитка, от информации одним кликом мышки, от связи с близкими и далекими друзьями и родственниками? В некоторых городах мира можно перемещаться на электромобиле с нулевыми выбросами! Каждое наше действие потребляет электрическую, и не только, энергию

В этой связи возникает вопрос энергоэффективности что это значит? Эффективность - это получение лучшего результата при минимальных затратах ресурсов. Применительно к энергии, необходимо использовать и производить ее таким образом, чтобы максимально отвечать нуждам людей и качеству жизни, но, в то же время, уменьшать влияние на окружающую среду и снижать интенсивность использования ресурсов. Таким образом мы снизим негативное влияние на нашу планету и обеспечим лучшее распределение имеющихся источников.

В теории всё правильно. Проблема - в коллективном сознании. Мы так привыкли использовать электроэнергию, что нам сложно подсчитать: сколько ее мы используем в данный момент? Сегодня, более чем когда-либо, необходимо сделать электроэнергию осязаемой и ощутимой; ведь замечаем мы только ее отсутствие, а о присутствии, как правило, просто не задумываемся

Роль потребителя

Электроэнергия является необходимой движущей силой развития любой страны, при этом у нее есть определенная стоимость как применительно к ее воздействию на окружающую среду, так и в экономическом и денежном выражении. Это означает, что электроэнергия должна использоваться разумно, ответственно. Впрочем - идет ли речь о национальной или домашней экономике - эффективное использование энергии, которое сегодня, как никогда, кажется необходимым и вызывающим интерес, позволяет экономить средства.

Эффективность - это производство материальных ценностей и услуг по конкурентоспособным ценам, призванное максимально удовлетворять нужды людей и отвечать качеству жизни и в то же время постоянно сокращать вредное влияние на окружающую среду и интенсивность использования ресурсов в течение всего жизненного цикла на уровне, по крайней мере, не превышающем поглощающую способность Земли. Короче говоря, эффективность означает создавать больше ценностей при меньшем воздействии на нашу Планету Для того, чтобы разумно потреблять и меньше тратить, необходимо знать несколько простых вещей. Существует много способов оценить собственные расходы на электроэнергию, например: ознакомится с таблицами среднего потребления электробытовых приборов; внимательно прочитать энергетическую этикетку, которая является обязательной для различных электробытовых приборов; следить за показаниями электросчетчика внимательно изучать счет за электроэнергию.

Для того, чтобы снизить свои расходы на электроэнергию, достаточно соблюдать несколько несложных правил.

Сколько электроэнергии мы потребляем в России? В мире потребление электроэнергии очень неоднородно. Согласно данным Международного Энергетического Агентства, потребление электроэнергии в России составляет 6.133 кВт/ч в год на человека, в США оно достигает 12.884 кВт/ч в год, в то время как в Африке оно равно всего лишь 561 кВт/ч в год!

Бытовые электроприборы

В обычной квартире или доме самое высокое потребление электроэнергии идет за счет приборов для генерации холода, т.е. холодильников, холодильников-морозильников и морозильников (23% от общего потребления), осветительных приборов (12%) и аудио и видео устройств, т.е. телевизоров, аудиосистем, декодеров, и т.д. (10%). От эффективности электробытовых и электронных приборов, которые мы используем, зависит их потребление энергии и, таким образом, наша возможность экономить на счетах и беречь окружающую среду.

Последствия потребления.

В нашем взаимосвязанном мире потребление полезных ископаемых или их производных оказывает влияние не только на наши кошельки или на наш стиль жизни, но и на всю нашу планету как среду обитания людей и как экосистему. Электричество, которое мы часто используем бессознательно, до сих пор еще производится преимущественно с помощью ископаемых источников: каменный уголь, природный газ и нефть обеспечивают 68% потребляемой в мире электроэнергии. Вот две точки зрения на эту важную проблему.

С одной стороны, ископаемые источники, несмотря на то, что они невозобновляемые и поэтому должны истощиться, являются «надежными и постоянными» источниками. Это означает, что, в отличие от возобновляемых источников, они производят электроэнергию независимо от климатических условий или от смены дня и ночи. И действительно, ветер не всегда дует с постоянной скоростью, расход воды связан с временем года, солнца в определенные моменты просто нет. Этим объясняется значительное применение, особенно в развивающихся странах, ископаемых источников энергии. В остальном, как мы уже видели, именно электроэнергия является самым эффективным средством роста и развития даже для тех 20% мирового населения, которые все еще её не имеют и поэтому не обладают большими возможностями для развития По мнению экспертов, мировой спрос на первичную энергию увеличится с 12 миллиардов ТЕР до примерно 17 миллиардов ТЕР в 2035 году. Самым востребованным первичным источником будет нефть, особенно из-за применения ее в сфере транспорта. Затем следуют уголь и газ. Развивающиеся страны Азии станут основной движущей силой этого роста. И действительно, Китай и Индия уже сегодня играют главную роль на мировых энергетических рынках.

С другой стороны, ископаемые источники на этапе сжигания, который происходит на тепловых электростанциях и в двигателях обычных автомобилей, вызывают выбросы так называемых парниковых газов, которые препятствуют правильному распределению тепла, производимого Солнцем, и повышают температуру нашей планеты. На взгляд неспециалиста, эра ископаемого топлива еще далеко не закончена, а переход от традиционной энергии (загрязняющей окружающую среду) к экологически чистой энергии должен занять много времени. Однако, по мнению экспертов доминирующее положение нефти, газа и угля должно ослабнуть. Согласно Прогнозу мировой энергетики 2011, в действительности потребление всех ископаемых источников увеличится, но спрос на них в процентном отношении от мирового спроса на первичную энергию слегка снизится, с 81% в 2010 до 75% в 2035. Технологии возобновляемой энергии, и в первую очередь гидроэлектрической и ветряной, будут представлять 50% от установленной мощности, способной удовлетворить возросший спрос.

Энергия. Вчера, сегодня, завтра.

Прошло уже более двух веков с тех пор, как электрическая энергия стала одним из тех научных открытий, которые существенно изменили качество и стиль жизни каждого человека и повлияли на прогресс общества и экономики. Электричество - это, действительно, фундаментальный фактор роста: в экономике развитых стран цена электроэнергии является значительным показателем экономических расчетов и влияет на конкурентоспособность. В экономике развивающихся стран электроэнергия становится двигателем развития промышленности и обеспечивает доступ к благам и услугам.

В наши дни электричество подтверждает свою роль всё более экологически ориентированной общественной движущей силы. Без электричества была бы невозможна работа любого цифрового устройства, каким-бы высокотехнологичным и инновационным оно ни было, отсутствие его лишило бы нас связи с миром, единомышленниками и близкими людьми. И даже самый зрелищный фильм 3D был бы поглощен тьмой зала. Поэтому одной из целей будущего становится производство электрической энергии, которое должно быть близким к человеку, экологически чистым, креативным, охватывающим разные сферы. Развитие в этом направлении уже идет: это и проект мини-зарядки фотогальванических батарей, и возможность того, что энергию для освещения некоторых мероприятий будут производить сами зрители, поочередно вращая педали велосипедов для производства электричества, и проекты дискотек, освещаемых специальным напольным покрытием, преобразующим энергию танцующих людей в электрическую энергию...

Сланцевый газ

Сланцевый газ - это природный газ, добываемый из метаморфических пород осадочного происхождения, главным образом состоящих из глины (shale), характеризующихся мелкой зернистостью и пластинчатой структурой и залегающих на глубине около 1500 м. Эти породы образовались около 350 миллионов лет назад в районах планеты, покрытых поверхностными водами. Внутри них заключены нефть (shale oil) или природные газы (shale gas), которые добываются при дроблении этих горных пород.

Атомные электростанции

Как и на обычных электростанциях, на атомной электростанции производится пар, который приводит в действие турбогенератор, вырабатывающий электроэнергию для подачи в распределительную сеть. Пар создается за счет нагрева воды в корпусе ядерного реактора. Вода нагревается за счет тепла, выделяемого в процессе реакции деления ядер урана. Тепловая энергия пара затем преобразуется в механическую энергию одной или нескольких паровых турбин, а затем в электрическую энергию с помощью генератора. Атомные электростанции, по сути, не сжигают топлива, поэтому они производят электрическую энергию без выбросов СО₂.

ОБ ЭТОМ ГОВОРЯТ «Фукусима»

В пятницу, 11 марта 2011 года,в открытом море у восточного побережья Японии произошло землетрясение магнитудой в 9,0 баллов по шкале Рихтера, вызвавшее цунами, поразившее атомную электростанцию Фукусима Даити.

Это самое мощное землетрясение, когда-либо зарегистрированное в стране. 8 первый момент энергоблоки 1,2 и 3 станции Фукусима остановились вследствие землетрясения (энергоблоки 4,5 и 6 находились в стадии холодной остановки для запланированной периодической проверки), и аварийные системы начали проведение процедур, направленных на остановку реакторов. Обычно, в случае общего отключения электроснабжения в районе, где находится станция, в работу вступают аварийные дизельные генераторы, подающие энергию на систему охлаждения реакторов. Приблизительно через час после землетрясения первое из 7 цунами обрушило на станцию волны 14-15 метров в высоту. Аварийные дизельные генераторы были залиты водой и отключились - было серьезно нарушено или вообще прекратилось охлаждение реакторов блоков 1,2 и 3, так как на электростанции не оказалось никакого другого источника энергии, способного восстановить систему охлаждения. В течение нескольких часов температура активных зон реакторов повысилась и достигла температуры плавления топлива. Высокая температура активных зон вызвала реакцию с образованием газообразного водорода внутри установок, накопление которого привело к взрыву на оболочке 1,3 и 4 реакторов, что в свою очередь привело к выбросу радиоактивных веществ за пределы территории станции. Сначала была произведена эвакуация населения в радиусе 3 километров вокруг станции, затем, в соответствии с международным порядком действий по охране здоровья населения, после ядерных катастроф с выбросом радиоактивных веществ, была произведена эвакуация населения из зоны радиусом 20 км вокруг станции,. Так началась авария на атомной электростанции Фукусима Даити, которая привела к окончательному закрытию реакторов 1,2,3 и 4. В число мер по ликвидации аварии входили операции по охлаждению реакторов, ограничению и прекращению реакции в активной зоне, сокращению утечки радиоактивных веществ, а также мероприятия, направленные на восстановлению работы станции, сдерживание воздействия радиации на окружающую среду и защититу населения. Работы по восстановлению безопасности установок завершились в декабре 2011года, когда было сделано официальное заявление о том, что постоянное охлаждение реакторов стабилизировано. Данное состояние требует, чтобы давление внутри контура охлаждения было стабильным и одновременно немного превышало атмосферное давление, температура хладагента в любом месте установки должна быть меньше 100 °С, уровень выброса радиоактивных веществ должен быть в пределах, установленных законом, и, наконец, все системы контроля и мониторинга установки должны быть активны и работать бесперебойно. При достижении такого результата начинается следующая фаза, не менее важная и сложная с инженерной точки зрения для станции Фукусима, а именно обеззараживание загрязненных территорий и запуск программы вывода из эксплуатации (decommissionig) поврежденных реакторов.

Пресная и соленая вода. Успехи воды

После ископаемого топлива вода является основным источником электроэнергии в мире, а среди возобновляемых источников энергии она - абсолютный лидер. В 2010 г. при помощи воды выработано 3.428 ТВт/ч электроэнергии. Сегодня обширные территории планеты продолжают сильно зависеть от воды для удовлетворения своих потребностей в электроэнергии: в Южной Америке, например, около 70% вырабатываемого электричества имеет водное происхождение. Вот некоторые страны, которые удовлетворяют большую часть своих потребностей в электроэнергии благодаря использованию воды; Канада (вода удовлетворяет около 59% спроса на электроэнергию), Уругвай (60%), Австрия и Перу (61%), Латвия (62%), Колумбия (67%), Венесуэла (69%), Исландия (73%), Коста-Рика (79%), Бразилия (83%), Норвегия (96%).

Существует 3 вида гидроэлектростанци:

1) гидроэлектростанции с регулируемым водотоком или с водохранилищем

используют перепад воды, собранной в естественных или искусственных водохранилищах благодаря возведению перегораживающих сооружений (плотин). Наличие водохранилища, созданного с помощью сдерживающей дамбы, обеспечивает постоянную подачу воды: таким образом, производство электроэнергии не зависит - в пределах накопленных объемов - от колебаний в поступлении воды;

2) насосные станции имеют верхнее накопительное водохранилище (изливающее водохранилище) и нижнее (пополняющее водохранилище). Вода переходит из верхнего водохранилища в нижнее и приводит в движение турбину, вырабатывающую электрическую энергию. Если потребность в электроэнергии низкая, вода перекачивается насосами в верхнее водохранилище, чтобы использовать ее, когда потребность в энергии возрастет.

3) гидроэлектростанции на проточной воде расположены на реках. Эти установки не подлежат регулированию и программированию и вырабатывают электрическую энергию в зависимости от имеющегося в данный сезон количества воды.

Энергия ветра

Кинетическая энергия ветра может быть преобразована в:

-механическую энергию - человек с давних пор обеспечивает работу гидравлических насосов и мельничных жерновов благодаря энергии ветра;

-электрическую энергию - первая ветряная установка была сооружена в 1887-88 гг. в Соединенных Штатах Америки, с тех пор эта технология продвигается вперед гигантскими шагами.

Ветряные парки, или wind farms (ветряные фермы), состоят из множества ветрогенераторов, соединенных между собой в распределительную электросеть. Ветер приводит в движение лопасти этих современных мельниц, которые напрямую преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую. Каждая ветровая турбина имеет начальную скорость (cut-in), скорость остановки (cut-off) и скорость работы, а ее функционирование можно изобразить в виде кривой производительности, показывающей увеличение подаваемой электрической мощности при увеличении скорости ветра. Именно поэтому создание ветряного парка невозможно без предварительного углубленного изучения проекта на местности для оценки интенсивности, направления и постоянства потоков ветра. Самыми благоприятными районами для установки ветряных парков являются гребни холмов (как правило, от 600 до 1 500 м высотой), а также продуваемые ветром долины, прибрежные зоны и открытое море. Расположение аэрогенераторов.

Солнечные технологии

Внутри Солнца, где температура приблизительно равна 15 миллионам градусов Цельсия, постоянно происходят термоядерные реакции синтеза, которые высвобождают огромное количество энергии в виде электромагнитных излучений. Часть этой лучистой энергии поступает на нашу Землю с интенсивностью, изменяющейся в зависимости от места, времени года и суток.

Солнечная энергия используется:

- фотогальванических установках для производства электроэнергии;

-в солнечных тепловых панелях для производства горячей воды;

-на солнечных термодинамических электростанциях;

Фотогальванические и тепловые панели может установить каждый из нас, что позволит сократить домашние расходы. Благодаря этим панелям электричество и горячая вода становятся дарами Солнца, тогда как инвестиции, необходимые для их установки, часто амортизируются благодаря системе скидок, предоставляемых правительствами все большего количества стран.

Интересный факт: вопреки расхожему стереотипу, в России нет нехватки солнца! В этой необъятной стране во многих районах (Кавказ, Краснодарский край, вся длинная южная граница Сибири и даже некоторые сибирские регионы в центре и на севере) уровень солнечного излучения сравним с уровнем в Италии. А в некоторых районах Забайкалья (между озером Байкал и Дальним Востоком) уровень солнечного излучения даже выше, чем в Испании. Поэтому правительство страны предусмотрело установку солнечных батарей примерно на 2000 МВт.

Геотермия. Путешествие к центру Земли

Геотермическая энергия представляет собой тепло, заключенное в недрах Земли, которое может достигать температуры 4 ООО °С. В некоторых районах, как, например, Тоскана (в Италии), Калифорния (в США). Новая Зеландия или Япония, высокий геотермический градиент, то есть значительное повышение температуры на глубине, является особой геологической ситуацией и может вызвать образование пара под высоким давлением и с высокой температурой в проницаемых уровнях (например, в раздробленных известняковых пластах) в недрах земли. Если эти уровни находятся между двумя водонепроницаемыми слоями (например, два пласта глины), пар останется заключенным между ними. Если пробурить верхний водонепроницаемый слой, то пар выйдет на поверхность под высоким давлением и при высокой температуре.

Существуют 3 основных способа использования тепла Земли:

-в зонах с вулканическими и тектоническими феноменами имеются геотермальные источники с большим теплосодержанием, характеризующиеся очень высокими температурами (свыше 150 °С). В этих областях вода и газ, нагретые под землей, под высоким давлением поднимаются на поверхность в виде гейзеров или фумарол и могут использоваться для производства электроэнергии, приводя в движение турбины геотермальных электростанций.

-в тех же самых зонах находятся также источники со средним теплосодержанием, которые имеют более низкие температуры (приблизительно от 90 до 150 °С): в таких случаях тепло Земли может преобразовываться в электрическую энергию на геотермальных электростанциях бинарного цикла; здесь не требуются высокие температуры, так как на этих электростанциях используются особые жидкости, превращающиеся в пар при более низкой температуре, чем вода.

-при наличии температуры источника от 30 до 90 °С речь идет о геотермии с низким теплосодержанием: в этом случае электрическая энергия не вырабатывается, а используется тепловая энергия, взятая из-под земли для подогрева воды в бассейнах и термальных центрах или для зданий, объединенных в сеть (отопление от теплотрассы).

Теплосодержание, или «общее тепло» жидкости, - это сумма внутренней энергии этой жидкости, которая зависит от абсолютной температуры, удельного тепла, качества и количества вещественной массы, - и энергии, происходящей от давления, под которым находится жидкость.

Биомасса

Под биомассой подразумевается любое не ископаемое вещество биологического происхождения, которое может использоваться для получения энергии. Некоторые виды биомассы являются отходами производственных процессов, которые повторно используются, тогда как другие виды биомассы выращивают специально. К последним относятся так называемые энергетические культуры, такие, как волокно сорго, конопля, мискантус, тополь, акация, ива, эвкалипт, сахарный тростник и сахарная свекла, кукуруза и т.д. Потенциальная энергия, содержащаяся в биомассе, которая естественным способом используется человеком и животными в процессе пищеварения, может быть освобождена непосредственно в виде тепла при сгорании (традиционный, основной вид использования), либо сосредоточена в твердом, жидком или газообразном топливе посредством термохимических процессов (пиролиз, газификация) или биохимических процессов (спиртовое брожение, анаэробное разложение).

Несколько примеров биомассы:

-твердая: дрова, щепа, гранулы, брикеты;

-жидкая: растительное масло, полученное из семечек сои, рапса, подсолнечника и пальмы (из которых получают также биодизель) или спирт, как, например, биоэтинол, получаемый в результате процесса ферментации сахаров или клетчатки с помощью соответствующих энзимов;

-газообразные: биогаз и сингаз. Первый из них производится в результате анаэробного брожения (без кислорода) из влажных органических матриц, таких как сточные воды, а также из восковой зеленой кукурузы и других злаков. Второй получается из сухой древесно-целлюлозной биомассы (например, древесной щепы) в процессах газификации и пиролиза. Если нагреть кусочки дерева до средне-высокой температуры (около 300 - 500 °С) при отсутствии воздуха (пиролиз) или с очень малым количеством воздуха (газификация), из них выделяется газ. Из-за крайне низкого содержания или полного отсутствия воздуха в данном производственном процессе газ не может гореть; если же смешать его в нужных пропорциях с воздухом для горения, он может использоваться в качестве топлива в двигателях для выработки электроэнергии. Основным преимуществом биомассы является тот факт, что ее производство можно планировать. В отличие от солнца и ветра биомассу можно получить в тот момент, когда она нужна, так, например, на сельскохозяйственной ферме по разведению крупного рогатого скота и свиней наличие зоотехнических отходов и навоза позволит запланировать производство биогаза для анаэробного брожения. В крупных лесных массивах, фруктовых садах и виноградниках несложно предусмотреть сбор веток и обрезанной зеленой массы, которую можно использовать в качестве топлива для котла, производящего горячую воду, а также для производства электроэнергии.

Следует также отметить, что биомасса используется на тепловых электростанциях в совместном горении или совместной газификации с традиционным топливом, таким как уголь или нефтепродукты, тем самым способствуя уменьшению использования ископаемых источников и сокращению выбросов парниковых газов.