» 2007 » Июль

Творческий вечер Галины Хмилёвской

18.07.2007

17 июля в большом зале КНЦ прошел творческий вечер Галины Хмилёвской, крымской украинской поэтессы, лауреата премии имени Василия Симоненко.

Выпуск института последипломного образования

13.07.2007

Сегодня в помещении КНЦ состоялось вручение дипломов выпускникам института постдипломного образования Таврического национального университета им. В.И. Вернадского.

Возможности использования солнечной энергии в Крыму

05.07.2007

Среди регионов Украины Автономная Республика Крым обладает наибольшим энергетическим потенциалом альтернативных возобновляемых источников энергии, в частности солнечной энергии. Их использование в Крыму может рассматриваться как одна из реальных возможностей сокращения объёмов потребления традиционных топливно-энергетических ресурсов (нефти, природного газа, угля), природные запасы которых постоянно истощаются.

Ещё в 1999 году ресурсы альтернативных возобновляемых источников энергии, их энергетический потенциал и технически возможные объёмы его использования в Автономной Республике Крым были уточнены отечественными и зарубежными экспертами при разработке проекта по оценке развития энергетики Крыма, осуществлённого странами Европейского Союза в рамках оказания технической помощи по программе Таcis. По оценке данных экспертов, одним из наиболее перспективных и доступных из всех видов альтернативных возобновляемых источников энергии в Крыму является солнечная энергия. Рекомендуемый экспертами технически возможный энергетический потенциал использования солнечной энергии в Крыму составляет 38 МВт, а объёмы его использования для производства тепловой энергии к 2010 году должны составить 502 ТДж/год. Эти значения является «оптимистическими» и оценить практические возможности их реализации представляется довольно сложной задачей, учитывая нестабильную в настоящее время экономическую ситуацию на Украине (Кибовский и д.р., 2001).

Реализация данного энергетического потенциала требует принятия целого комплекса мер на государственном и региональном уровнях, в частности, разработки специальной программы развития солнечной энергетики «10 тысяч солнечных крыш в Крыму», а также изыскания и привлечения необходимых финансовых средств (из различных источников) для строительства солнечных установок в Крыму.

В реальных условиях облачности, годовой приход суммарной солнечной радиации на территории Крыма достаточно высок и составляет от 1200 до 1400 кВт.ч на 1 м2 горизонтальной поверхности. Это позволяет разработать перспективные программы по солнечному теплоснаб­жению и широкому внедрению гелиоустановок для приготовления горячей воды и отопления зданий.

Анализ реального положения в топливно-энергетическом комплексе Крыма, а также экологического состояния окружающей среды в крымском регионе, свидетельствуют о необходимости и целесообразности более широкого использования солнечной энергии, с целью экономии тепла и топлива на существующих традиционных тепловых источниках. В настоящее время использование солнечной энергии в Крыму осуществляется по двум основным направлениям (Казаченко, 2008):

— преобразование в тепловую энергию, используемую для нагрева горячей воды и обогрева зданий;

— преобразование в электрическую энергию, используемую в качестве дополнительной энергии для освещения и питания электрооборудования, установленного в зданиях.

Наибольшее распространение получили технологии использования солнечной энергии для нагрева горячей воды систем горячего водоснабжения и отопления жилых и общественных зданий.

Целесообразность ускоренного развития солнечной энергетики в Крыму обусловлена не только наличием огромных природных ресурсов этого источника, но и наличием собственной материальной производственной базы, а также экономически выгодными условиями эксплуатации солнечных установок. При этом, разработка и проектирование солнечных установок для каждого конкретного объекта должна определяться следующими основными факторами: технической возможностью, энергетической эффективностью, экономической целесообразностью и экологической безопасностью реализации предлагаемых технических решений.

Основные задачи, объёмы замещения котельно-печного топлива, а также затраты на разработку и внедрение установок по использованию солнечной энергии в Крыму, были определены при разработке Комплексной региональной программы энергосбережения до 2010 года и одобрены Постановлением Совета министров АРК от 04.05.98 г. № 122. Предполагаемая потребность в солнечных коллекторах для выработки тепловой энергии к 2010 году должна была составить 19,5 тыс. штук с общей поглощающей поверхностью 29,3 тыс. м2. При этом, экономия органического топлива на котельных Крыма от внедрения этих установок за период с 2001 по 2010 годы должна составить 18,1 тыс. тонн условного топлива, а предполагаемая потребность в солнечных коллекторах для выработки тепловой энергии к 2010 году должна была составить 19,5 тыс. штук с общей поглощающей поверхностью 29,3 тыс. м2 (Кибовский, 1998).

Эти данные будут уточнены в Комплексной региональной программе энергосбережения на период до 2012 года, которая в настоящее время разрабатывается Советом министров Автономной Республики Крым совместно с Институтом возобновляемой энергетики НАН Украины.

По оценкам специалистов технические возможности использования солнечной энергии в Крыму позволяет экономить до 75 тыс. тонн условного топлива в год (Кибовский, 1998). Согласно данных отдела энергосбережения и альтернативных источников энергии Министерства промышленной политики, транспорта, связи и топливно-энергетического комплекса Автономной Республики Крым в настоящее время на территории Крыма установлено более 13,5 тыс. штук коллекторов с общей поглощающей поверхностью более 20 тыс. м2. Это позволило получить экономию до 2,9 тыс. тонн условного топлива ежегодно (Плакида, 2009), что составляет всего около 4-х процентов от технического потенциала ресурсов солнечной энергии в Крыму.

Таким образом, использование энергии солнца с целью экономии традиционных топливно-энергетических ресурсов в Крыму в настоящее время крайне недостаточно и не отвечает сегодняшним потребностям общества.

Такой медленный рост развития солнечной энергетики в крымском регионе указывает на существование многочисленных проблем и барьеров, мешающих  массовому внедрению в Крыму установок и систем по использованию солнечной энергии. К проблемам, имеющим объективный характер, можно отнести, прежде всего, проблемы технологического и экономического направлений.

Известно, что солнечная радиация, падающая на поверхность Земли, является нестабильным энергетическим источником, как в течение года, так и в течение суток  и во многом зависит от климатических условий местности. До 75 % поступающей солнечной инсоляции приходится на тёплое время года (с апреля по сентябрь) и только 25 % — на зимний период, когда потребность в тепловой энергии является наибольшей. Поэтому при преобразовании солнечной энергии в тепловую или электрическую энергию необходимо применение специальных технических устройств по аккумуляции на период отсутствия солнечной радиации.

Кроме того, очень часто технически невозможно разместить на объекте то количество солнечных коллекторов, которое необходимо для покрытия полной тепловой или электрической нагрузки потребителя, что требует применения традиционных источников энергии в качестве дублёра.

Медленный рост рынка использования солнечной энергии указывает также на существование значительных экономических проблем.

Так ориентировочная стоимость 1 м2 гелиополя таких систем по данным строительной компании «Экострой» (по курсу на 20.11.09 г. 2009 года) составляет:

— для одноконтурных термосифонных гелиосистем
украинского производства    –                                      2,5…2,8 тыс. грн.

— для сезонных двухконтурных термосифонных
гелиосистем (производства Греция)  —                         3,3…4,2 тыс. грн.

— для круглогодичных двухконтурных термосифонных
гелиосистем (производства Греция)  —                         4,5…5,0 тыс. грн.

— для циркуляционных гелиосистем Regulus
(производства Чехии)    —                                               7,6…10,1 тыс. грн.

 

 Основываясь на опыте проектирования, строительства и эксплуатации солнечных установок в Крыму, с 1 м2 солнечного коллектора при работе солнечной установки в течение года можно получить экономию до 132 кг условного топлива (Айзен, 1995), стоимость которого 160-200 грн.

Таким образом, цена на солнечные системы остается ещё достаточно высокой и срок окупаемости таких систем, за счёт стоимости сэкономленного органического топлива может составлять от 3-х до 15 лет, в зависимости от сложности принятых технических и технологических решений.

В то же время, эксплуатационные затраты на обслуживание солнечных установок значительно ниже чем на обслуживание традиционных тепловых источников (отопительных котельных). Так стоимость нагрева 1 м3 воды от солнечной установки может составить до 0,6 грн. (Казаченко и д.р., 2008, а от отопительной котельной предприятия «Крымтеплокоммунэнерго» для населения г. Симферополя стоимость нагрева 1 м3 горячей воды составляет 11,0 грн.

Комплексной программой по использованию нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в архитектуре и градостроительстве, утверждённой Государственным комитетом Украины по делам градостроительства и архитектуры, предусмотрены три типа установок солнечного теплоснабжения для массовой установки: солнечные приставки к котельным; системы сезонного действия для отдельных объектов и модульные установки солнечного нагрева воды. Только массовое строительство в Крыму таких установок и систем в Крыму может снизить их стоимость и соответственно срок окупаемости. Широкое применение таких установок позволит также решить экологические проблемы в Крыму, особенно на территориях санаторно-курортных и рекреационных зон. Однако, для увеличения темпов роста рынка необходимо вводить стимулирование на государственном и региональном уровне интересов потребителя.

Другим экономическим барьером является отсутствие оборотных средств у предприятий-производителей. Пока еще не развиты конкретные государственные механизмы стимулирования производства в виде предоставления субсидий, освобождения от налогов, льготной тарифной политики. Помимо экономических, существуют и другие чисто субъективные проблемы и препятствия на пути развития солнечных технологий в Крыму, в частности:

— отсутствует стабильная государственная политика в области использования солнечной энергии;

— отсутствует координация и координирующий орган в области развития солнечных технологий;

— нет достаточной информационной системы для распространения сведений среди населения о наличии солнечных технологий, их параметрах, экологических преимуществах, практически полностью отсутствует информация о внедренных демонстрационных проектах.

Реализация государственной политики в сфере развития солнечной энергетики и энергосбережения должна стать основой стратегии социально-экономического развития Автономной Республики Крым на ближайшее десятилетие.

Энергетика окружающей среды

05.07.2007

2.1. Энергия в окружающей среде. Формы и виды энергии
Окружающая природная  среда  пронизана энергией разных типов. Вплоть до неолитической революции (20-10 тыс. лет назад) человек оставался элементом биоценоза, а энергетика его хозяйства не выходила за рамки привычных биосферных преобразований. Создание производящего хозяйства (земледелие, приручение животных и скотоводство) привело к возникновению биосферных биогеохимических   и энергетических циклов антропогенного характера. Но длительное время – до середины ХХ века – хозяйственная энергетика не вызывала планетарных возмущений природной среды, поскольку преобладало использование возобновляемой солнечной энергии. Ключевым фактором, вызвавшим такие возмущения,  стало широкое использование ископаемого  топлива (сначала угля, а затем нефти и природного газа), которое привело к нарушению биогеохимического и термодинамического равновесия. Для его преодоления необходимо возвращение к энергетике, в которой преобладают возобновляемые источники. Чтобы осмысленно двигаться в этом направлении, необходимо детальное знание природных энергетических ресурсов, общей величины, изменчивости во времени и в пространстве, плотности и мощности потоков энергии.

Формы и виды энергии

Все виды энергии  подразделяют на потенциальную (энергию покоя) и кинетическую (энергию движения).

Потенциальная энергия — это «запасенная» энер­гия,  которая потен­циально может быть использована. Приподнятая над равниной гора, вода, удерживаемая плоти­ной, химическая энергия молекул бензина, углеводов, белков и жиров потребляемой пищи – все это примеры потенциальной энергии. Кинетическая энергия проявляется в действиях и движениях тел. Она за­висит от скорости движения и массы материальной точки. Так, кинетиче­ской энергией обладают текущая в русле реки вода, движущийся поток воздуха, падающие при обвале камни, движущийся поезд. По другой классификации видов энергии различают тепловую, магнитную, лучистую (электромагнитную), энергию химических связей, механическую, электростатическую и электродинамическую.

Теплота (тепловая энергия) фиксирует общее количество энергии движущихся атомов и мо­лекул данного вещества. Тепловая энергия передается несколькими путями (Алексеев, 1966):

1. Конвекцией (т.е. переносом энергии с теплоносителем) – в воздухе и в воде, вероятно  также в магме мантии и ядра Земли.

2. Кондуктивным путем (молекулярная теплопроводность) – во всех вещественных средах. Но относительная доля кондуктивного переноса в газообразных и жидких средах примерно на 3 порядка уступает ковективному переносу.

3. Скрытым путем – при фазовых переходах вещества: при плавлении и/или испарении тепло затрачивается и как бы на время исчезает, при конденсации или затвердении – высвобождается. Наибольшее значение связано с влагооборотом и циркуляцией тропосферы.

4. Геохимическим (и биогеохимическим) путем: многие реакции на земной поверхности являются эндотермическими, т.е. сопровождаются поглощением энергии Поглощенное тепло выделяется затем в других условиях в процессе экзотермических реакций. Примером эндотермической реакции является фотосинтез зеленых растений. Так же (энергетически) происходит растворение солей. В конечном итоге, и эти, и многие другие процессы аккумулируют и переносят в пространстве и/или  во времени солнечную энергию.

Электромагнитная энергия – энергия, передающаяся в форме электромагнитных волн. Основным источником электромагнитной энергии на Земле является Солнце. Но все земные объекты также излучают электромагнитную энергию, только  в других диапазонах волн. Любое тело, имеющее температуру выше 0° К (то есть выше минус 273° С), излучает электромагнитную энергию в соответствии с законами Стефана-Больцмана и Вина. Согласно закону Стефана-Больцмана количество излучаемой энергии соответствует 4-й степени абсолютной температуры поверхности излучателя, а согласно закону Вина длина волны излучения обратно пропорциональна температуре излучающей поверхности.

Энергия химических связей – энергия, связанная в процессах химических реакций фотосинтеза в зеленых растениях.

Магнитная энергия. Земля обладает магнитным полем, которое создает вокруг нее магнитосферу. В ней движение заряженных частиц (корпускул) подчинено структуре магнитных силовых линий. Магнитосфера имеет глобальное экологическое значение: защищает земную поверхность от потока солнечного ветра, губительного для большинства живых организмов. Но, наряду с этим, она имеет энергетическое значение. Благодаря ей возникает электризация движущихся частиц воздуха и воды, формирующих электромагнитное поле Земли. В свою очередь, движения проводников в этом поле генерируют электрический ток. Оно имеет также информационную составляющую, используемую, в частности, животными.

Электрическое поле Земли существует во всех средах, составляющих географическую оболочку. Теллурические (т.е. земные) токи естественного происхождения захватывают обширные области земной коры и океанской толщи, характерные размеры которых порядка сотен и тысяч квадратных километров. Главной причиной их образования считают изменение интенсивности солнечной радиации, создающее в атмосфере, гидросфере и литосфере переменное электромагнитное поле. Величина плотности теллурических токов возрастает во время магнитных возмущений и магнитных бурь.

Механическая энергия – энергия движущихся макросистем (воздушные массы, русловые потоки, движение льда и т.д.). Механическая энергия в большой степени проявляется в связи с действием закона всемирного тяготения, то есть в гравитационных взаимодействиях. Все тела в биосфере находятся в гравитационном поле Земли, то есть в поле силы тяжести. Силовые линии этого поля направлены сверху вниз, что определяет удержание у Земли атмосферы. Поле силы тяжести является причиной проявления изостазии (явление уравновешивания литосферных плит, глыб материковых льдов), а также гравитационной дифференциации вещества.

Превращения, хранение и перенос энергии

Все потенциальные виды энергии являются естественными хранилищами энергии. Энергия одного вида может превращаться во многие другие виды энергии. Например, солнечная энергия преобразуется в тепловую, а затем в  энергию ветра, энергию падающей и текущей воды (гидроэнергия), другая часть спектра солнечной энергии — в энергию биомассы (солнечная энергия, преобразованная в деревьях и других растениях в химическую форму). Горючие полезные ископаемые – это тоже хранилища вторичной солнечной энергии, сконцентрированной биосферой в прошлые геологические эпохи.

Качество  энергии в технологическом смысле

В технике энергия различается по качеству, или способности совершать полезную работу, а также по концентрации. Качество энергии — это мера ее эффективности. Энергия высокого качества характеризуется большей степенью упорядоченности, или концентрации, а значит, высокой способностью производить полезную работу и обладает низкой энтропией. Качество энергии определяется также ее способностью переходить в другие формы и удельной работой, которую она может производить. Концентрация энергии есть результат больших затрат энергии более низкого качества.

Для освещения помещений, обеспечения работы электродвигателей и электронных приборы, движения автомобиль, необходима концентрированная электрическая энергия. Однако для отопления жилых и других помещений, для принятия душа требуется низкотемпературное тепло (менее 100° С). К сожалению, многие носители энергии высокого качества, такие, как высокотемпературное тепло, электричество, бензин, газообразный водород, а также концентрированная солнечная энер­гия в естественных условиях не встречаются. Для того чтобы произвести, сконцентрировать, сохранить энергоносители или повысить их качество, сделав пригодными для выполнения определенных задач, мы должны исполь­зовать другие носители высококачественной энергии, как, например, ядерное или ископаемое топливо или древесину.

Энергетическая эффективность. Г. и Э. Одумы (1978, с. 132) вводят понятие коэффициента энергетической эффективности: он равен отношению произведенной энергии к количеству высококачественной энергии, возвращенной в процессы производства.

История человеческих обществ с точки зрения использования энергии есть история постоянного «обхода» природных закономерностей: стремление к высокой концентрации (максимум — в ядерных зарядах), увеличению вклада энергии в единицу продукции за счет извлечения порядка из внешней среды. Стремление использовать ископаемые источники энергии – это ни что иное, как посягательство на запасы негэнтропии, накопленные биосферой за длительную историю. Переход от использования возобновляемых источников к невозобновляемым – это средство «мягко» войти в систему Природы, отчуждая некоторую часть потока негэнтропии в человеческих целях. В этом смысле человеческая стратегия мало отлична от стратегии экосистемы, т.к. последняя так же нацелена на отъем максимального количества энергии ради самосовершенствования своей структуры (негэнтропийный процесс).
Г. и Э. Одумы (1978, с.130) вводят понятие чистой полезной энергии, под которой понимается энергия, остающаяся, если из всей произведенной энергии вычесть затраты на ее получение.

В целом виды энергии можно сравнивать по следующим показателям:

— качеству упорядоченности (в пространстве и времени) и удельной способности производить работу;

— концентрации (плотности);

— способности экономично превращаться в  другие виды энергии;

— скорости  превращения в другие виды энергии или высвобождения;

— возможности накапливаться и сохраняться;

— возможности  экономично передаваться на дальние расстояния (в энергетике – в первую очередь с помощью технических приспособлений).
Высококачественная энергия упорядочена, сконцентрирована, обладает низкой энтропией. Ее легко использовать для выполнения полезной работы.

Низкокачественная энергия рассеяна и ее трудно или вообще невозможно использовать для выполнения полезной работы. Ей свойственны неупорядоченность и малая способность производить полезную работу. Она обладает высокой энтропией. Пример носителя такой энергии — низкотемпературное тепло в воздухе вокруг нас или в реке, озере, океане. Например, общее количество низкотемпературного тепла, содержащегося в Мировом океане, значительно превышает количество энергии высокого качества, заключенное в нефтяных месторождениях мира. Но тепло настолько рассеяно в океане, что может быть использовано лишь частично, например, при создании электростанций, использующих разность температуры поверхностных и глубинных слоев воды в океане.

Но применительно к природной энергетике (энергетике геосистем, экосистем и биосферы в целом) использование таких понятий,  как полезная и бесполезная энергия, низкокачественная энергия, потери энергии и т.д., неприемлемо, поскольку каждый вид энергии выполняет  определенные необходимые функции. Необходимо сформулировать  принцип незаменимости всех видов энергии в биосфере (геосистемах и экосистемах): все виды и формы энергии в биосфере выполняют необходимые и незаменимые функции. Покажем это на примерах. Для процесса  фотосинтеза используются солнечные лучи красного и синего спектра. Энергия других частей видимого солнечного света, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей в процессе создания органического вещества не используется. Эрозионная деятельность осуществляется энергией движущейся воды (водная эрозия) и потоков воздуха (ветровая эрозия).

Горизонтальные и вертикальные движения литосферных плит осуществляются благодаря тепловой конвекции в астеносфере, но гораздо большие по величине (в тысячи раз) потоки солнечной энергии этой способностью не обладают. Рассеянное в атмосфере и океане тепло (обычно называемое в книгах как бесполезно теряемая энергия) крайне важно для формирования устойчивого теплового режима, обеспечивающего существование живых организмов. Можно представить ситуацию, когда концентрация энергии в геосистемах была бы значительно выше. Это неизбежно сопровождалось бы резкими изменениями  температурного  режима, атмосферного  давления, скоростей ветра. Повторяемость экстремальных природных процессов бы резко увеличилась.  Совершенно ясно, что  рост общей величины техногенной энергии (к чему мы идем по экспоненте) ведет  именно к этому  сценарию.

Принцип незаменимости различных видов энергии в биосфере базируется на принципе избирательности: каждый процесс в биосфере требует для своего осуществления энергии особой формы и качества; замена одного вида энергии другим возможна в ограниченных масштабах.

2.2. Преобразование солнечной энергии в биосфере (геосфере)

Геосфера-биосфера – это поверхностно-активная система, образовавшаяся на контакте Земли и Космоса, характеризующаяся реакционно-пограничной анизотропией. Она включает  два основных типа объектов: относительно однородные тела (твердые, жидкие и газообразные) и разделяющие их контактные (пограничные) относительно узкие зоны (поверхности раздела). В относительно однородных телах возникают внутренние границы раздела, то есть контактные зоны второго, третьего и т.д. порядка.

Любые пограничные слои обладают избыточной (по сравнению с внутренней областью тела) поверхностной энергией (разной природы и формы). Избыточная энергия молекул, проявляется в поверхностном натяжении. Избыточная потенциальная энергия, заключенная в рельефе поверхности океана и материков, связана  с отклонением этого рельефа от поверхности разного потенциала силы тяжести (геопотенциала).
Соотношение разных видов энергии приводятся в таб. 2.1, энергетических потоков – в таб. 2.2.

Таблица 2.1.

Ориентировочные соотношения разных потоков энергии, которые поступают в географическую оболочку, Дж/(м2*с)

Солнечная (поглощенная атмосферой и
земной поверхностью)                                                              2,3*10 2
Космических лучей                                                                   (2…3)*10 -6
Антропогенного производства                                                40*10 -3
Распада радиоактивных изотопов                                           7*10 -3
Приливного трения                                                                   3,5*10 -3
Окисление органического вещества                                        0,4…0,6
Геотермическая тепловая                                                         0,1
Тектоническая                                                                            п*10 -3

Таблица 2.2.

Потоки энергии у земной поверхности в ТВт ( 1 ТВт = 10 2 Вт) (Горшков В.Г., 1990)

Энергетические потоки

Мощность

Солнечная радиация (прямая и косвенная):поглощение атмосферой и земной поверхностью
поглощение сушей и океаном
расход на испарение (выделение в атмосфере)
транспирация
турбулентные потоки тепла
перенос тепла от экватора к полюсам атмосферой
перенос тепла от экватора к полюсам океаном
ветер (диссипация тепловой энергии)
океанские волны (диссипация волновой энергии)
фотосинтез
гравитационная энергия падения осадков
энергия рекДругие виды энергии:Геотермальная
Вулканов и гейзеров
Приливов и отливов
Лунного света, падающего на Землю
Света приходящего на Землю от звезд
Современное энергопотребление человечества

 

 

100000
80000
40000
3000
10000
10000
2000
2000
1000
100
100
3

 

30
0,3
1
0,5
0,001
10

Солнечная радиация. От Солнца к Земле направляется поток электромагнитной энергии в широком диапазоне длин волн, которые вместе составляют солнечный спектр. Условно весь спектр разделяют на три зоны: 1) видимые лучи в интервале приблизительно 0,4…0,76 мкм; 2) ультрафиолетовое излучение, которое имеет длину волн до 0,4 мкм и 3) инфракрасное излучение с длиной волн свыше 0,76 мкм.

Изменчивость интенсивности солнечной энергии, которая поступает на верхнюю границу атмосферы, невелика, поэтому ее поток, вычисленный на 1 см2 за минуту, называют солнечной постоянной. Она равняется 1,98 кал/см2 мин или 1382 Дж/(м2 ·с), или 1382 Вт/м2. Поскольку Земля имеет шарообразную форму, лишь 1/4 часть этого потока приходится в среднем на единицу площади сферы, то есть 345,5 Дж/(м2·с).

В каждый момент времени поток солнечных лучей приходящих к Земле зависит от угла падения солнечных лучей — величина радиации пропорциональна синусу угла падения или косинуса широты. Поэтому это правило называют законом косинуса: Ij=Io cosj, где j  — широта.

Атмосфера выступает мощным фильтром, который изымает из спектра некоторые его полосы. Следствием этого является образование в слоях атмосферы вертикальных зон высокой энергии (где происходит поглощение части солнечной энергии). Существенное поглощение ?-излучение и жесткой ультрафиолетовой радиации (? <0,1 мкм) происходит на высоте свыше 100-200 км над земной поверхностью (в термосфере). В слое максимальной концентрации озона (в озоносфере, которая расположена в стратосфере) на высоте 15…25 км теряется еще некоторая часть коротковолновой (жесткой ультрафиолетовой) радиации. Итак, в верхней и средней атмосфере теряется природная энергия, относящаяся к опасной для живых организмов зоны спектра.

Часть солнечной радиации отражается и поглощается облаками. Различные компоненты и примеси атмосферы поглощают различные части спектра электромагнитных волн. Часть радиации рассеивается в атмосфере и направляется к земной поверхности и в Космос. Земной поверхности достигает часть прямой и часть рассеянной радиации. Прямая и рассеянная радиация вместе составляют суммарную радиацию.
Приходящая на земную поверхность радиация частично отражается. Отношение потока отраженного радиационного излучения n к потоку падающего V (обычно выражаемое в %) называют альбедо: a = 100. Альбедо зависит от характера подстилающей поверхности — оптических свойств географического ландшафта и положения в пространстве отражающей поверхности. Величина альбедо колеблется от 95% (или 0,95) у свежевыпавшего снега до 5% (0,05) у воды (при вертикальном падении солнечных лучей). Такие земные покровы как снега и льды отражают от 60 до 95% падающих солнечных лучей. Леса отражают значительно меньше – от 10 до 20%, сельскохозяйственные поля – от 17 до 30%, водные поверхности – от 5 до 10%. Таким образом, отражательная способность различных типов подстилающих поверхностей очень различна. Величины альбедо различных поверхностей приведены в таблице 2.3.

Таблица  2.3. Средние значения альбедо земных покровов (в долях единицы) (Павлов, 1965)

Типы поверхности

Альбедо

Снег

0,80-0,95

Лед:

0,35-0,40

Водная поверхность озер и водохранилищ

0,07-0,14

Почва, горная порода

0,15-0,35

Луг, степь,

0,16-0,27

Болота

0,16

Хвойный лес

0,10-0,15

Лиственный лес  (летом)

0,13-0,18

Поглощение радиации земной поверхностью приводит к ее нагреванию. Нагретые (выше 10К) земные покровы сами становятся источником излучения. Температура земной поверхности колеблется в границах от -90 до  +80 °С. В этом случае излучение тепла земными объектами (соответственно закону Вина) сосредоточенно преимущественно в интервале волн от 4 до 120 мкм (максимум приходится на 10-15 мкм), то есть в невидимой инфракрасной зоне.
Длинные волны, излучаемые земной поверхностью, в значительной мере задерживаются тропосферой – это 97 % излучения земной поверхности (преимущественно водяным паром и углекислым газом) – она как бы непрозрачна для них. Процесс запирания земного излучения атмосферой получил название парникового эффекта. Благодаря нему температура земной поверхности повышается примерно на 35 градусов. Атмосфера поглощает большую часть земных лучей, нагревается  и излучает инфракрасные лучи. Они направляются в значительной степени к Земле, образуя  встречное излучение тропосферы.
Разность между разными потоками лучистой энергии составляет ее радиационный бюджет земной поверхности (или остаточную радиацию):

R = S + D – О — Еs + Еa,

где S, D, О — соответственно прямая, рассеянная и отраженная радиация; Еs — излучение земной поверхности; Еа — противоизлучение атмосферы.

Среднемноголетняя годовая сумма радиационного бюджета колеблется от отрицательных значений в полярных районах до более чем 5,5•109 Дж/м2  над морскими просторами жаркого пояса.

В среднем для Земли радиационный бюджет положительный и составляет 3,16*109 Дж/м2*год. Он расходуется на испарение (затраты тепла на испарение), турбулентный поток тепла в атмосферу, на поток тепла в почве (последний направлен в почву в теплое время и к поверхности почвы – в холодное время.

Часть потока энергии переносится конвективным путем от нагревающейся земной поверхности в тропосферу. Его величина определяется разностью температур между поверхностью и тропосферой, а также устойчивостью или неустойчивостью тропосферного воздушного столба. Его неустойчивость в наибольшей мере зависит от влажности воздуха (влажно- или сухоадиабатический процесс) и температурной стратификации. Если воздух нагревается от земной поверхности – он неустойчив; если в него поступает водяной пар – он также неустойчив. Если эти свойства накладываются одно на другое – неустойчивость может стать такой значительной, что возникнет тропосферный вихрь.

Отношение количества радиации, отраженной Землей в целом к количеству радиации, которая поступила на внешнюю границу атмосферы, называют планетарным альбедо Земли. Его оценивают величиной 30-35 %. Основную роль в планетарном альбедо играет облачный покров (статистически ? земной поверхности покрыта облаками).

В целом Земля как планета теряет почти столько радиационной энергии, сколько и получает. Только маленькая ее часть аккумулируется в органическом веществе и геохимических аккумуляторах. Поэтому говорят, что Земля в целом находится в состоянии радиационного равновесия. Но земная поверхность далека от такого состояния из-за сложного распределения потоков радиации, вызываемых  пространственно-временной мозаичностью температуры, облачности, альбедо. Благодаря географической неоднородности радиационных и тепловых факторов между различными районами мира имеются большие различия в поступлении солнечной радиации. Эти различия обусловливают формирование динамичных систем циркуляции. Их устойчивые отношения запечатлеваются в пространственной структуре ландшафтных зон. Людьми они отражены в историческом опыте цивилизаций: в выборе технологий сельскохозяйственного производства, формах строительства и архитектуры, особенностях коммунального хозяйства, в определенной степени – даже в промышленности и обороне. В рамках выбора стратегии развития альтернативной энергетики, эти различия необходимо также учитывать при планировании размещения солнечных коллекторов и батарей, а также ветровых установок.

Наилучшие условия для создания солнечно-энергетических установок существуют в тропических малооблачных районах – там за год поступает до 8000 МДж/м2 и несколько более. В Крыму годовая суммарная радиация составляет более 5000 МДж/м2. Но опыт показывает, что даже в более северных и менее солнечных районах (при суммарной радиации 3000-4000 МДж/м2, примерно как в Харькове) солнечные установки могут быть рентабельными, несмотря на то, что плотность потока солнечных лучей по сравнению с плотностью, созданной с помощью ТЭЦ, АЭС, ГЭС,  невелика. Но ведь  генерирование энергии в энергетике обходится дорого, а солнечная энергия – бесплатна.

Внутриземная (эндогенная) энергия. Эндогенная энергия связана с распадом радиоактивных элементов, гравитационным сжатием и уплотнением вещества земных недр, приливным трением, обусловленным взаимодействием Земли с Луной и Солнцем. Тепловой поток из земных недр в среднем в 105 раз меньше потока электромагнитной солнечной энергии. Он составляет около 0,06 Дж/(м2·с), то есть он меньше погрешности определения потока солнечной энергии. Тепловой поток очень контрастно дифференцирован на земной поверхности в зависимости от тектонической структуры и современной активности земной коры.

Распределение температуры на земной поверхности определяется множеством факторов. Горизонтальное распределение зависит от радиационного бюджета подстилающей поверхности, наличия влаги для испарения, взаимодействия моря и суши (теплоперенос), рельефа и др.

По вертикали в атмосфере температура уменьшается в среднем на 0,60 С на 100 м. В морской среде, где четко видно деление на сезонно теплый поверхностный слой и прохладный глубинный, это имеет значение как сезонный (летний) источник низкотемпературного тепла. Если разность температур составляет 200 С, такое тепло рентабельно использовать для энергетических установок.
Кроме того, контрастность температур обусловливает ветер, а он, в свою очередь, ухудшает сохранение тепла в помещениях – следовательно, увеличивает затраты тепла на обогрев даже при условии, что метеорологические показатели температуры неизменны.

Преобразования энергии. В результате различных преобразований солнечная и другие виды энергии частично проявляются в энергии ветра, падающей и текущей воды, биомассы, минерального топлива. В процессе фотосинтеза происходит образование органического вещества (энергия химических связей). Дальнейшие преобразования приводят к созданию энергии в виде пищи, топлива, электричества. Человеческий труд также есть следствие преобразования солнечной энергии (через фотосинтез, поедание растительной и животной пищи).

Энергия переходит из одной части биосферы в другую, при этом имеют место следующие характерные процессы:

1.Часть энергии расходуется на совершение механической работы. Речь идет об тропосферной и океанической циркуляциях, движении воды в руслах рек и т.д.

2.Большая часть энергии диссипирует, рассеивается, переходит в менее концентрированное состояние. Чаще всего речь идет об излучении радиации поверхностью и атмосферой в Космос.

3.Часть энергии переходит в те или иные формы накопления (кратковременные или длительные). Кратковременными являются фазовые переходы воды. Долговременными являются  органическое вещество (захороненные в толщах земной коры остатки деревьев в карбоне лежали примерно 350 миллионов лет, прежде чем их стали добывать и вовлекли в новый процесс трансформации), а также свободный кислород атмосферного воздуха.

Природные и техногенные концентраторы энергии. В природных системах есть процессы, которые повышают концентрацию энергии. Наиболее известным природным концентратором энергии являются зеленые растения, которые запасают солнечную энергию в процессе фотосинтеза, переводя ее в энергию химических связей. Захороняясь в недрах, органические вещества сохраняют рассеянную в горных породах биогеохимическую энергию. Если они подвижны, то способны многократно концентрироваться в виде флюидов (потоков вещества): нефтяных, газовых и др. месторождений. В различные геологические эпохи, особенно в карбоне, девоне и палеогене, произошло большое накопление солнечной энергии при образовании месторождений каменного угля.

При поднятии блоков земной коры происходит концентрация потенциальной энергии, то есть энергия поднимающихся масс вещества как бы накапливается. Они образуют пересеченный рельеф. При стекании воды атмосферных осадков, рек и ручьев  часть этой энергии расходуется на движение воды в руслах рек, при оползнях, обвалах, склоновой и русловой эрозии и на многие другие процессы.

Географические тепловые машины. Внешние потоки энергии служат причиной движений в тропосфере, океане, ледниках и других природных средах.
Все энергетические системы в биосфере связаны между собой. Грубой аналогией этой взаимосвязи можно считать часовой механизм. Главными его деталями являются множество колес-шестеренок, связанных между собой и заводящая пружина. Последняя — это внешний источник энергии (например, Солнце), а колесики – динамичные геосферы, с разной скоростью обменивающиеся веществом и энергией. Регулятором является анкерный механизм. Но эта аналогия очень поверхностна и неполна. В природе постоянно возникают, самонастраиваются и исчезают все новые и новые системы переноса энергии, которые называют, с легкой руки  В.В.Шулейкина,  географическими тепловыми машинами. Крымчанину известны они в двух ипостасях: как летний бриз непосредственно в береговой зоне моря (он меняет направление по  времени суток) и циклоническая деятельность.

Энергетические ресурсы, используемые человеком. Все виды энергии, поступающей в географическую оболочку, испытывают многообразные преобразования. Возникают механические движения вещества, происходят  фотохимические и термохимические реакции.  Солнечная энергия преобразуется в энергию ветра, падающей и текущей воды, биомассы, минерального топлива. Дальнейшие преобразования приводят к появлению энергии в форме пищи, топлива, электричества, мускульной силы.

Но 99 % энергии, идущей на нагревание земной поверхности  и всех зданий, дает бесплатная и к тому же фактически неисчерпаемая прямая солнечная энергия. Она же обусловливает круговорот углерода, кислорода, воды и других химических элементов, необходимых всем живым организмам для жизни, здоровья и восп­роизводства себе подобных. Отопление зданий производится с помощью электроэнергии, получаемой в результате сжигания нефти, бензина, угля, дров (т.е. запасенной биосферой в прошлом солнечной энергии. Только   ядерная энергия сюда не относится.

Системный подход к оценке, сравнению энергетических ресурсов. Их количество определяют в довольно абстрактных физических единицах – джоулях, калориях, лошадиных силах и пр. В таких единицах точно указывается количество, но отсутствует характеристика качества энергии. Качество энергии – это  функциональное значение потоков и запасов разных видов энергии для различных целей, систем, процессов, в том числе и для окружающей среды, биосферы. Обычно принимают во внимание три показателя качества: «работоспособность» энергии (отражает термин «эксергия»); концентрированность энергии (плотность ее потока); способность к преобразованиям в другие формы (универсальность). Энергия тем качественнее, чем выше значения этих показателей.

Отсюда вытекает важное следствие: запасы и потоки энергии, находящиеся в более высокоорганизованных системах (обычно она находится на более высоком уровне энергетической пирамиды), неправомерно сравнивать только в количественном выражении с носителями энергии более низкого качества. Очевидно, следует ввести понятие энергетического эквивалента, некой единицы условной энергии (ЕУЭ)  в виде коэффициента (меньше 1), который выставлять перед показателем менее качественной энергии. Но это только принцип, а не решение задачи сравнения.

Наряду с этим, ведущие экологи считают, что необходимо перейти от узко хозяйственной оценки энергетических ресурсов и потоков к более широкой функциональной оценке (Реймерс, 1994.с 188). Имеется в виду и роль энергии в природных процессах, и ее возможности использования в социальной практике. Норма изъятия ресурса должна планироваться с учетом ограничений социоэкологического характера.

Н.Ф. Реймерс (1994) разграничивает следующие виды запасов природных ресурсов:

1.Общий теоретический запас. Под ним подразумевается глобальный запас без учета каких-либо ограничений и связей.

2.Общий доступный запас. Это глобальный запас, реальный при данных технологиях и экономических возможностях.

3.Шаговый глобальный запас. Запас, ограниченный технологическими, экономическими и общеоэкологическими лимитами, связанными с необходимостью сохранения экосферы планеты. Речь идет, например, о запрете на использование энергии выше 1% от энергии биосферы (закон 1%). Модели глобального климата дают даже меньший порог допустимого использования природной энергии — в 0,3-0,5%. Превышение этого порога изменит общеземную температуру на 5-9°, что будет означать глобальные сдвиги в радиационном и тепловом режиме, влагообороте планеты с нарушением системы жизнеобеспечения человечества.

4. «Шаговый» системный запас (в рамках одного вида ресурса).

5. Запас регионального хозяйственного использования. Количество изымаемого ресурса, ограниченное региональными запретами.

Таким образом, важны не только наличие ресурсов и техническая и экономическая возможности их использования, но и запреты и ограничения экологического и, вероятно, социального характера.
С учетом сказанного, оценим энергетические ресурсы биосферы (по Реймерсу, 1994, с. 196-197 с добавлениями авторов).

С геоэкологической точки зрения, важным является воздействие энергии, если она выделена нами из энергоносителя, на  термический режим окружающей среды. Если энергия выделена ее преобразованием, то суммарное ее количество в окружающей среде не изменяется. Такую энергию называем недополнительной. Она не влияет непосредственно на геоэкологическую ситуацию, не повышает температуру, не приводит к глобальному потеплению, хотя локально может влиять на природные состояния.

Если энергия выделяется из теплоносителя, который в ином случае был бы пассивным, то такая энергия является дополнительной. Она способствует нарушению энергетических балансов окружающей среды, может участвовать в глобальном потеплении и т.п. Например, известно, что за год сжигается запас органического топлива, накопленного примерно за 1 млн. лет. Учитывая, что, как правило, биота поглощает и аккумулирует 1/1000 потока солнечной энергии, а в месторождениях содержится, по оценкам,  примерно 1/1000 запасов органического вещества прошлых эпох, получаем, что за год в окружающую среду за счет сжигания топлива выделяется тепла столько, сколько его поглощается в фотосинтезе в настоящее время.  Это немного, но ощутимо.

Таким образом, мы можем оценить, с этих позиций, источники солнечной энергии в окружающей среде.

1.Солнечная радиация. Она в 13 000 раз больше современного уровня использования энергии человечеством, то есть практически неисчерпаема. Не является дополнительной. Ограничения связаны с малой пространственной плотностью потока и неустойчивостью во времени. Перспективы использования в энергетике связаны с перестройкой хозяйства применительно к ее малой пространственной плотности и непостоянству во времени, которое только частично поддается прогнозу.

2. Солнечный и космический ветер. Ничтожная энергия, но большой информационный эффект (регулирующая роль). Не существует технологий, которые позволяют использовать эту энергию в пределах географической оболочки-биосферы (зато она важна в космических процессах). Поэтому основная задача заключается не в использовании этой  энергии в прямом смысле, а в удержании ее в существующих пределах и в приспособлении своего существования к ее пространственно-временной динамике.

3.Энергия морских приливов и отливов и океанических течений. Количественно она довольно велика. Имеются ограничения в связи с неблагоприятными изменениями прибрежных морских экосистем. Эта энергия не является добавочной, то есть ее использование не приводит к дополнительному нагреванию тропосферы.

4.Потенциальная и кинетическая энергия воды и льда. Не является добавочной, т.е. не влияет на энергетический баланс земной поверхности. Опасна из-за нарушения экологического баланса водоемов и системы «суша-океан».

5.Потенциальная и кинетическая энергия ветра. Достаточна для обеспечения всех энергетических затрат человечества, но использование ограничено большими колебаниями во времени, а тем самым и неустойчивостью энергетических систем. Добавочной не является.

Другие виды энергии, которые называются ниже, не являются солнечными.

6. Геотермальная энергия. В ряде районов ее использование позволяет решить энергетические проблемы. Ее использование приводит к выделению дополнительного тепла (т.е. она добавочная) и к загрязнению подземных вод и пластов земной коры.

7. Земной магнетизм. Эта энергия важна для защиты от опасного космического излучения, а также для производства электромагнитной энергии.

8.Энергия естественного атомного распада. Достаточно велика (уран – 3 млн., торий – 630 тыс. т НЭ). Энергия добавочная. Не решен вопрос с хранением отходов. Сохраняется вероятность крупных аварий.

9. Энергия ядерного синтеза. Запасы практически неисчерпаемы. Энергия добавочная. Надежный метод управляемой ядерной реакции пока не найден.

Резюмируя вышесказанное стоит отметить:

1. Геосферы и отдельные их части – очень различные объекты по плотности, фазовому состоянию, отражательной способности, характеру взаимодействий. Поэтому поступление и преобразование энергии происходит в них  по-разному.

2. Все источники энергии биосферы внешние: солнечная, космическая, внутриземная, связанная с взаимодействием Земли с Луной и планетами, с вращением Земли. Они различны по величине, мощности, виду, физическому характеру, форме подачи, степени устойчивости во времени.

3. Основную долю (98%) всей поступающей в биосферу энергии составляет солнечная электромагнитная энергия. В атмосфере она испытывает значительные преобразования, соответствующие сферической форме земной поверхности  и структуре тропосферы (облачность, прозрачность), благодаря чему приобретает поясно-зонально-секторальные свойства. Непосредственная роль других видов внешней энергии (космическое излучение, корпускулярная энергия Солнца, тепло земных недр, тектонические движения, энергия орбитального вращения Земли и др.) в тепловом балансе биосферы незначительна. Однако эти виды энергии имеют важное значение для многих других процессов, в том числе таких могущественных как движения литосферных плит, орогенических движений, денудации земной поверхности и др.

4. Земная поверхность, получившая энергию, сама становится источником излучения. Наличие в тропосфере газов и примесей, непрозрачных для теплового излучения (парниковые газы), формирует «парниковый эффект». Парниковый эффект имеет громадное, определяющее значение для географической оболочки-биосферы Земли (положительная средняя температура), но его возрастание может изменить природу земной поверхности.

5. Пространственная плотность солнечной радиации и скорости ветра значительно меньше градиентов, создаваемых в технических системах. Человеческое бытие, хозяйство, промышленность и транспорт за последние 200-250 лет приспособились к высокой концентрации энергии, создаваемой с помощью паровых, электрических и других видов машин. Встает задача создания технологий, которые были бы приспособлены к характеру пространственного распределения природной энергии, а также временн?й структуре ее поступления.

2.3. Формы и виды энергетического взаимодействия человека и природы

Взаимодействия человека и природы можно классифицировать следующим образом (таблица 2.4). Во-первых, следует разграничить преднамеренные и непреднамеренные действия человека (формы взаимодействия). Вторые часто остаются за кадром, что не позволяет увидеть громадные отрицательные последствия. Среди тех и других следует различать типы – прямые  и косвенные. Косвенные менее очевидны и заметны, чем прямые.

Именно косвенные воздействия представляют наибольший интерес для анализа вследствие малой изученности. Среди шести основных видов взаимодействия два выделяются тем, что с их помощью можно достичь энергетического оптимума. С одной стороны, это  получение свободной недобавочной (!) энергии, то есть энергии, которая уже циркулирует в биосфере, а ее вовлечение в хозяйственные и информационные циклы означает только сдвиг каналов их движения (по иным пространственно-временным траекториям). Недобавочной энергией могут быть признаны не все виды солнечной и  ветровой энергии, энергии биомассы и некоторых других видов энергии. Лишь те формы использования этих видов энергии могут быть признаны недобавочными, которые не изменяют значимо термодинамические характеристики биосферы. Например, если мы покроем большие пространства солнечными батареями и получаемую энергию станем запасать в аккумуляторах на длительное время, это вызовет изменения в термодинамике земной поверхности, что является неблагоприятным следствием. Не все формы и виды использования биомассы также могут считаться недобавочными.

Таблица 2.4.

Классификация энергетических взаимодействий человека и природы

Формы Типы Виды Следствия
Преднамеренные Прямые Получение и использование свободной добавочной энергии (электроэнергия  за счет горючих полезных ископаемых, атомная энергия и др.) Воздействие на геохимию биосферы (усиле-ние парникового эффекта и др.). Изменение термодинамического режима на отдельных территориях за счет добавочной энергии. Достижение предела 1% . Тепловой  кризис.
Получение и использование свободной недобавочной энергии (солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная энергия  и др.)
Изменения от минимальных до допусти-

мых

Косвенные Размещение сельскохозяйственных культур, населенных пунктов, про-мышленных предприятий  и т.д. на участках с определенной природной энергией Мнимизация  (или увеличение) затрат  энергии  при выборе  тех или иных  вариантов
Непреднамеренные Прямые Воздействие на биосферу: изменение структуры биоценозов и ландша-фтов, альбедо поверхности и др. Изменение энергетических характеристик биосферы – радиационного, циркуляции-онного, теплового и водного режима (изменение климата). Термодинамический кризис
Косвенные Воздействие на газовый состав атмосферы – выбросы парниковых газов, разрушение озонового слоя и др. Изменение энергетических характеристик биосферы – радиационного, циркуляции-онного, теплового и водного режима (изменение климата). Термодинамический кризис
Загрязнение поверхностного слоя океана Изменение интенсивности теплообмена океана и атмосферы.  Термодинамический кризис

 

2.4. Широкое понимание энергетики Проблемные вопросы: энергия, время, пространство

Энергия заключена не только в веществе, но и в пространстве. Типичный пример пространственной составляющей энергии – потенциальная энергия в поле тяготения Земли, величина которой, как известно, зависит от третьей координаты – абсолютной высоты.

Таким образом, потенциальная энергия связана как с веществом, так и сположением. Размещая определенным образом объекты и даже целые города, мы тратим разное количество энергии. Определенное расположение объектов, таким образом, отображает некоторое количество энергии.

Распределение энергии во времени также влияет на эффективную величину энергии.  Эффективность использования энергии зависит также от размеров систем. Известны оценки эффективности городов в зависимости от их размеров. С одной стороны, с увеличением размеров города до некоторого предела увеличивается его эффективность. С другой стороны, изменения размеров городов влекут за собой изменение энергетических затрат на транспортные потоки. Энергетические затраты зависят также от расстояния населенных пунктов друг от друга. Возникает задача оптимизации  расстояний между населенными пунктами в  связи с транспортными  расходами.

Разнообразные формы энергии  проявляются в структуре объектов, в их  масштабах. Структура ландшафта есть пространство-время, отображающее разнообразные факторы – от космического до локальных.

Рассмотрение проблем энергетики ведется обычно в отрыве от широкой совокупности природных, технических и социальных предметов и явлений. Между тем энергия перемещается в конкретных системах (природных, технических, социальных), обладающих определенными закономерностями динамики, организации, самоорганизации. От этих свойств зависит характер использования энергии, эффективность использования.

Предлагается новое понимание энергетики – как всей совокупности природных и искусственных систем, в которых происходит генерирование и преобразование энергии. Современные представления об энергии,  как подчеркивают Г.Одум и Ю.Одум (1978) и Г.Шеер (2000), слишком узки. При расчетах энергетического баланса не учитывается энергия Солнца, которую используется при выращивании сельскохозяйственных  культур, при работе ветровых  колес для орошения и водяных мельниц, при  сушке белья и фруктов. Дома в умеренном и холодном поясах обогревается не только техническими средствами (отопление на газе, мазуте и пр.), но и солнцем или атмосферой. Летом можно не использовать энергию для отопления, поскольку в это время высокий температурный уровень обеспечивается энергией Солнца. Поэтому использование  солнечной энергии  следует учитывать в архитектурном планировании и конструировании домов,  при создании  систем охлаждения и систем озеленения. Многие системы охлаждения также используют природные источники, что позволяет не тратить электричество.

Необходимо учитывать полные расходы солнечной энергии. Более половины потребностей в энергии удовлетворяется из возобновляемых источников косвенным образом. Таким образом, необходимо сформулировать широкое понимание энергетики – как энергетики окружающей среды. Перечислим составляющие энергетики окружающей среды:

1.Энергетику биосферы, ее экосистем, ландшафтов и геосфер – совокупность природных энергетических потоков, аккумуляторов энергии, преобразований энергии. В течение истории человеке осуществил значительные преобразования  энергетики биосферы.

2.Совокупность энергогенерирующих мощностей, энергетических потоков и преобразователей энергии технического типа, то есть созданных человеком. Получение энергии в этих системах связано с изъятием из биосферы природной энергии, находившейся в связанном или свободном состоянии, переводом ее в новые каналы, использованием для получения благ.

3.Сигналы, информация, знания, процессы мышления, определяющие наиболее эффективное использование энергии. Эта составляющая в большинстве случаев неразделима с предыдущей, образует с ней тесно взаимосвязанные комплексы, но есть смысл ее выделить в отдельную категорию вследствие ее  особой роли, особых форм проявления,  хранения и пр.

4.Природная энергия, которая косвенным образом используется человеком. Это происходит в ходе  приспособления человека к пространственно-временной  динамике  природных энергетических потоков —  оптимальному размещению по местоположениям разных уровней (от локальных до зональных): сельскохозяйственных культур, зданий (жилищ и др.), промышленных предприятий и транспортных систем. В этом случае: 1)получаются более высокие и стабильные урожаи; 2)жилища и другие строения требуют меньше затрат, в том числе меньше отопления; 3)меньше затраты на эксплуатацию промышленных и транспортных систем. В этом случае сочетаются и переплетаются первая, вторая  и третья составляющие.

Технологическая энергетика связана с использованием природных резервуаров энергии (различных по объему, типу организации, способности актуализироваться и пр.), переводом природной энергии в свободную форму. При этом необходимо вписывание систем этого вида энергетики в природные циклы, недопущения нарушения природных режимов.

Сигнально-информационная энергетика базируется на использовании сигналов (очень слабых энергетических потоков), которые могут вызывать высвобождение огромных потоков энергии. Но эффективность таких сигналов имеет место лишь при их соответствии структуре и организации управляемых систем (обычно технических и социальных, но иногда и природных). Системы этого вида энергетики должны вписываться как в технические и социальные системы, так и в природные (и таким образом составлять единство с системами технологической и природной энергетики).

Из этого видно, насколько более многообразны задачи энергетики, если ее брать в полном объеме. Наше общество пока ограничивается, в основном, задачами получения свободной энергии, в меньшей степени – задачами использования сигналов и информации. Вопросы природной энергетики до сих пор остаются за пределами интересов традиционной энергетики, и только постепенно входит в круг интересов альтернативной энергетики. Между тем учет характера природной энергетики совершенно необходим для вписывания техногенных и социальных систем в биосферу.

Неразрешимое на сегодня противоречие между утвердившейся в истории цивилизации практикой природопокорительского отношения  к окружающей среде и способностью биосферы поддерживать систему естественных биогеохимических циклов самовосстановления требует выработки новой парадигмы сосуществования человека и биосферы. В 70-80-е годы ХХ столетия были сформулированы концептуальные основы сохранения человеческой цивилизации, заключающиеся в достижении коэволюционного сосуществования общества и  биосферы. Составляющими новой парадигмы стали идеи коэволюции человека и природы (Н.Н.Моисеев),  создания каскада взаимодополняющих производств, вписывания хозяйственной деятельности человека в природные биогеохимические циклы (В.Г.Горшков, В.П.Данилов-Данилья, К.С.Лосев и др.), признание отходов главным материальным ресурсом человечества.

Стало понятно, что деятельность человека не должна противопоставляться природным процессам, а должна стать их элементом. Энергетические потоки хозяйственных циклов также должны быть вписаны в природные циклы.

Таким образом, три вида энергии — природная энергетика, энергетика, создаваемая человеком в виде генераторов электрического тока, паровых и электрических двигателей и т.д., а также сигнально-информационная энергетика (мышление, информационные базы данных и знаний, системы управления и регулирования и т.д.) — неразрывно связаны между собой и в совокупности позволяют создать устойчивые и эффективные системы.

В отличие от экономистов, сравнивающих денежные затраты с полученной прибылью, Г.Одум и Э.Одум (1978) предлагают новую единицу расчета эффективности производства – сравнение энергетических затрат, включая оценку и природных ресурсов, и работы человека, и полученной энергии. Энергия-нетто, или полезная энергия  — это та величина, которая остается после того, как из всей суммы положительных результатов деятельности и природных, и экономических систем вычитается количество энергии, затраченной на обеспечение этой деятельности.

Cовещание по вопросам Болонского процесса

05.07.2007

4 июля в КНЦ состоялось совещание по вопросам Болонского процесса. Среди участников – преподаватели Таврического национального университета им. В.И. Вернадского, делегация преподавателей университетов Германии.

Модели использования солнечной энергии в Крыму

01.07.2007

Структура хозяйства Крыма и его потребности в различных видах энергии

01.07.2007

Процесс формирования структуры хозяйства Крыма протекал на протяжении многих столетий в соответствии с имеющимся региональным природно-ресурсным потенциалом и социальными приоритетами и характеризовался в своем развитии сложными динамическими изменениями. Так, в 1917 году на полуострове функционировало всего два крупных предприятия — Севастопольский морской завод (11 тысяч рабочих) и Керченский металлургический завод (3 тысячи рабочих). Доминировали мелкие производства с числом рабочих около 10 человек, а из общего числа 64848 крестьянских хозяйств более 40% оставались безземельными.

Особенно значительные перемены в Крыму произошли именно в ХХ веке. Осуществленная индустриализация 30-х, а затем 50-х, 60-х, 70-х и 80-х годов, затронула практически все составляющее экономики – прошло активное сельскохозяйственное освоение зоны степей, создание новых промышленных объектов, прокладка Северо-Крымского канала, формирование крупных транспортных узлов, включая строительство портовых комплексов (5 из 19 портов Украины расположены на полуострове), промышленное освоение природных месторождений строительных материалов, рост уровня застройки территории, включая прибрежные зоны южных морей и развитие других отраслей экономики сопровождалось большими нагрузками на природную среду и ростом объемов потребляемых энергоресурсов.

Ряд производств создавались не всегда с учетом природных ресурсов региона — некоторые химические производства были размещены в Крыму только в связи с тем, что в западном Присивашье имеются бессточные мелководные озера, пригодные для сброса промышленных отходов, а очень крупные нефтехранилища Феодосии удобно расположили у порта, хотя они практически не выходят из городской застройки.

Традиционно роль Крыма в территориальном разделении труда определяли машиностроение, пищевая промышленность, промышленность строительных материалов, производство зерна, подсолнечника, винограда, овощей, фруктов, а также курортное и портовое хозяйство. В целом сформировалось хозяйство энергоемкое: химическое производство, промышленность строительных материалов, транспорт, жилищно-коммунальный комплекс и другие объекты требовали значительных энергоресурсов.

В 90-е годы произошли резкие изменения в экономическом комплексе Крыма – разрыв установленных связей как по сырьевым, таки по потокам готовой продукции, поставки импортных товаров, инфляция привели к спаду регионального продукта, объемов производства. Так, по данным органов статистики объем промышленной продукции в Крыму в 1995 году по отношению к 1990 году составил только 47% и негативные тенденции продолжились все следующее десятилетие. См. далее zip-архив, 137 Кб.

При использовании материалов сайта размещайте, пожалуйста, прямую ссылку! © 2007-2015 Крымский научный центр