8.1: Сталі енергетичні системи - розділ Вступ

Цілі навчання

Прочитавши цей модуль, студенти повинні мати можливість

• окреслити історію використання людської енергії
• зрозуміти проблеми, пов'язані з подальшою залежністю від викопної енергії
• зрозуміти мотивацію та часову шкалу для переходів у використанні енергії

Вступ та історія

Енергія - це всеосяжна людська потреба, така ж основна, як їжа або притулок для людського існування. Світове використання енергії різко зросло, оскільки підйом цивілізації заманив людей від їх тривалого існування мисливці-збирача до більш енергоємного способу життя в населених пунктах. Використання енергії прогресувало від забезпечення лише основних індивідуальних потреб, таких як приготування їжі та опалення, до задоволення наших потреб у постійному житлі, сільському господарстві та тваринництві, транспорті та, зрештою, виробництві, будівництві міста, розвагах, обробці інформації та комунікації. Наш нинішній спосіб життя забезпечується легкодоступною недорогою викопною енергією, зосередженою природою протягом десятків або сотень мільйонів років у зручні родовища викопного палива з високою щільністю енергії, які легко відновлюються з шахт або свердловин у земній корі.

Виклики сталого розвитку

Вісімдесят п'ять відсотків світової енергії забезпечується спалюванням викопного палива. Використання цих видів палива (вугілля з середньовіччя для опалення; і вугілля, нафти і газу з часів промислової революції для механічної енергії) росло природним шляхом від їх високої щільності енергії, достатку і низької вартості. Протягом приблизно 200 років після промислової революції ці джерела енергії сприяли величезному прогресу в якості життя та економічному зростанні. Однак, починаючи з середини 20 століття, почали виникати фундаментальні проблеми, які свідчать про те, що щасливий стан використання викопної енергії не може тривати вічно.

Забруднення навколишнього середовища

Першим викликом сталого розвитку, яке необхідно вирішити, було забруднення навколишнього середовища, яке давно помічено в промислових регіонах, але часто ігнорується. Розвинені країни прийняли законодавство, що обмежує викиди забруднюючих речовин, і поступово протягом більш ніж двох десятиліть якість повітря та води покращувалася, поки багато найбільш видимих і шкідливих наслідків більше не були очевидні.

Обмежені енергетичні ресурси

Другим питанням сталого розвитку, яке слід вирішити, є обмежені енергетичні ресурси. Земля та її викопні ресурси є кінцевими, простий факт з очевидним наслідком того, що ми не можемо продовжувати використовувати викопне паливо нескінченно довго. Питання не в тому, коли ресурси закінчаться, а в тому, коли вони стануть занадто дорогими або технічно складними для видобутку. Ресурси розподілені по всій земній корі — одні легкодоступні, інші поховані у віддалених місцях або під непроникними бар'єрами. Є родовища нафти і газу в Арктиці, наприклад, які не були розвідані або задокументовані, тому що до недавнього часу вони були поховані під важкими покривами льоду на суші і морі. Спочатку ми відновлюємо легкі та недорогі ресурси, залишаючи важкі для подальшого розвитку. Баланс витрат і вигод зазвичай оформляється з точки зору піку - коли виробництво досягне піку, а потім знизиться, не в змозі задовольнити зростаючий попит і, таким чином, створить дефіцит? Піки у виробництві енергії, як відомо, важко передбачити, оскільки зростання цін у відповідь на зростання попиту та страх дефіциту забезпечує збільшення фінансових ресурсів для розвитку більш дорогих та технічно складних виробничих можливостей.

Нафта - яскравий приклад піку. Хоча пік видобутку нафти в Сполучених Штатах був відомий прогнозованим М. королем Хаббертом за 20 років до цього, успішні прогнози піків світового видобутку нафти залежать від невідомих факторів і, як відомо, важкі (Owen, Inderwildi, & King, 2010; Hirsch, Bezdek, &Wendling, 2006). Основними проблемами є невідомі залишкові ресурси на кожному рівні витрат на відновлення та невідомі технологічні прориви, які можуть знизити вартість відновлення. Відступаючий арктичний лід і зростаюча здатність буріння глибоких підводних свердловин обіцяють принести більше нафтових ресурсів в межах фінансового та технічного охоплення, але кількісні оцінки їх впливу є, в кращому випадку, орієнтовними.

Малюнок Запаси\(\PageIndex{1}\) сирої нафти. Глобальний розподіл ресурсів сирої нафти. ¹ Включає 172,7 млрд барелів бітуму в нафтових пісках в Альберті, Канада. ² Виключає країни, які входили до складу колишнього США Див. "Союз Радянських Соціалістичних Республік (U.S.S.R.)» в Глосарії. ³ Включає лише країни, які входили до складу колишнього США Джерело: Управління енергетичної інформації США, щорічний огляд, 2009, стор. 312 (серпень 2010)

Нерівномірний географічний розподіл енергії

Третя проблема сталого розвитку — нерівномірний географічний розподіл енергоресурсів. На малюнку\(\PageIndex{2}\) показано розподіл запасів сирої нафти, причому на Близькому Сході набагато більше нафти, ніж будь-який інший регіон, а Європа та Азія, два регіони з високим рівнем населення та високим попитом, майже не можна порівняти. Цей географічний дисбаланс між енергоресурсами та енергоспоживанням створює невизначеність та нестабільність постачання. Погодні події, стихійні лиха, терористична діяльність або геополітичні рішення можуть перервати постачання, мало звертаючись до постраждалих регіонів. Навіть якщо глобальні запаси були в достатку, їх нерівномірний географічний розподіл створює проблему енергетичної безпеки для більшої частини світу.

Викиди CO ₂ та зміни клімату

Остаточним і останнім занепокоєнням є викиди вуглекислого газу та зміна клімату (див. Розділ 5). З тих пір, як Міжурядова група з питань зміни клімату була створена Організацією Об'єднаних Націй в 1988 році, обізнаність про зв'язки між викидами вуглекислого газу людини, глобальним потеплінням та потенціалом зміни клімату зросла. Кліматологи у всьому світі задокументували докази глобального потепління температури поверхневого повітря, землі та моря, підвищення рівня моря, льодовикового льоду та снігового покриття та вмісту тепла в океані (Arndt, Baringer, & Johnson, 2010). \(\PageIndex{2}\)На малюнку показані три часто цитуються заходи глобального потепління, середньої температури поверхні, підвищення рівня моря та снігового покриву північної півкулі.

Рисунок\(\PageIndex{2}\) Температура, рівень моря та сніговий покрив 1850-2000. Три графіки показують тенденції середньої температури поверхні, середнього рівня моря та снігового покриву північної півкулі від 1850-2000 років. Джерело: Зміна клімату 2007: Звіт про синтез: Внесок робочих груп I, II та III до Четвертого звіту про оцінку Міжурядової групи з питань зміни клімату, Cambridge University Press, малюнок 1.1, сторінка 31

Не може бути сумнівів у зростаючих тенденціях, а також є тривожні ознаки систематичної зміни інших показників (Arndt, et al., 2010). Короткострокове продовження цих тенденцій можна оцінити за допомогою екстраполяції. Прогнозування після тридцяти або близько того років вимагає розробки сценаріїв, заснованих на припущеннях про населення, соціальну поведінку, економіку, використання енергії та прогрес технологій, які відбуватимуться протягом цього часу. Оскільки тенденції в цих кількостях часто перемежовуються несподіваними подіями, такими як рецесія 2008 року або ядерна катастрофа на Фукусімі 2011 року, темпи викидів вуглецю, глобального потепління та зміни клімату протягом століття або більше не можна точно передбачити. Щоб компенсувати цю невизначеність, прогнози, як правило, базуються на низці сценаріїв з агресивними та консервативними припущеннями щодо ступенів населення та економічного зростання, моделей використання енергії та прогресу технологій. Хоча сторічні прогнози таких моделей відрізняються за величиною, загальна тема зрозуміла: постійна залежність від спалювання викопного палива для 85 відсотків глобальної енергії прискорить глобальне потепління і збільшить загрозу зміни клімату.

Нинішня залежність від викопного палива розвивалася з плином часу від десятиліть до століть. На малюнку\(\PageIndex{3}\) показана схема використання палива в США з 1775 року.

Рисунок Споживання\(\PageIndex{3}\) первинної енергії за джерелами, 1775-2009. Графік показує закономірність використання палива в США з 1775 року. Джерело: Управління енергетичної інформації США, Річний огляд, 2009, p. xx (серпень 2010)

Деревина була домінуючою протягом століття до 1880-х років, коли більш рясна, вища щільність енергії та менш дороге вугілля стали королем. Він домінував до 1950-х років, коли нафта для транспортування стала провідним паливом, а природний газ для опалення близько секунди. Вугілля зараз перебуває у другій фазі зростання, що стимулюється популярністю електроенергії як енергоносія у другій половині ^20-го століття. Ці довготривалі шкали вбудовані в енергетичну систему. Такі види використання, як нафта та її похідне бензину для особистого перевезення в автомобілями або широке використання електроенергії, потребують часу, щоб утвердитися, і після встановлення забезпечують соціальну та інфраструктурну інерцію проти змін.

Історичні зміни в енергетичній системі були зумовлені декількома факторами, включаючи ціни та проблеми постачання деревини, легку доступність та заміну вугілля на деревину, відкриття рясних запасів нафти, що дозволило широко використовувати двигун внутрішнього згоряння та відкриття рясного природного газу, який є чистішим і більш транспортабельним в трубопроводах, ніж вугілля. Ці драйвери змін базуються на економіці, зручності або новій функціональності; отримані зміни в нашій енергетичній системі надали нову цінність нашому енергетичному комплексу.

Енергетичні мотивації, з якими ми стикаємося зараз, носять інший характер. Замість того, щоб додавати цінність, мотивація полягає в тому, щоб запобігти «кінець світу» сценаріїв зменшення цінності: збільшення деградації навколишнього середовища, дефіциту палива, небезпечних поставок та зміни клімату. Альтернативи викопному паливу дорожчі та важчі в реалізації, не дешевші та простіші, ніж статус-кво. Історичні мотиви змін, що призводять до більшої цінності та функціональності, змінюються. Зараз ми стикаємося з перспективою того, що зміна енергетичної системи, щоб зменшити нашу залежність від викопного палива, збільшить вартість і знизить зручність енергії.

Резюме

Постійне використання викопного палива, яке зараз забезпечує 85 відсотків наших енергетичних потреб, призводить до проблем деградації навколишнього середовища, зменшення енергетичних ресурсів, небезпечного енергопостачання та прискорення глобального потепління. Перехід на альтернативні джерела енергії вимагає десятиліть, щоб розробити нові технології і, як тільки розвинулися, замінити існуючу енергетичну інфраструктуру. На відміну від історичної зміни на викопне паливо, яке забезпечило збільшення пропозиції, зручності та функціональності, перехід на альтернативні джерела енергії, швидше за все, буде дорожчим і менш зручним. У цьому розділі ви дізнаєтесь про екологічні проблеми використання енергії, стратегії пом'якшення викидів парникових газів та зміни клімату, електроенергію як чистий, ефективний та універсальний енергоносій, нові виклики, з якими стикається електроенергія у сфері потужності, надійності та зв'язку, проблема переходу від традиційного викопного палива до ядерного та відновлюваного палива для виробництва електроенергії. Ви також дізнаєтеся про обіцянки біопалива з целюлози та водоростей як альтернативи нафті, опалення будівель та води сонячною тепловою та геотермальною енергією, а також переваги ефективності поєднання тепла та енергії в одній системі генерації. Нарешті, ви дізнаєтеся про переваги, виклики та перспективи для електромобілів, а також про практику сталої енергетики, які зменшать негативний вплив виробництва та використання енергії на навколишнє середовище та здоров'я людини.

Переглянути питання

1. Викопне паливо стало основою глобального енергопостачання за останні 150 років. Чому використання викопного палива настільки широко поширене?
2. Викопне паливо представляє чотири проблеми для довгострокової стійкості. Що це таке, і як вони порівнюють за серйозністю впливу та вартістю стратегій пом'якшення наслідків?
3. З 1700-х років домінуюче глобальне постачання енергії змінилося з деревини на вугілля на нафту. Скільки часу відбувався кожен з цих енергетичних переходів, і скільки часу може знадобитися перехід на альтернативні джерела енергії?

Посилання

1. Арндт, Д.С., Барінгер М.О., & Джонсон, М.Р. (ред.). Стан клімату в 2009 році. Бик. Амер. Метеор. Соц., 91, S1—S224, www.ncdc.noaa.gov/бамс-держава-... imate/2009.php
2. Гірш, Р.Л., Бездек Р., Вендлінг Р. Пік світового видобутку нафти та його пом'якшення. Журнал Айхе, 25, 2 — 8. Номер: 10.1002/aic.10747
3. Оуен, Н.А., Індервільді, О.Р., & Кінг, Д.А. Стан звичайних світових запасів нафти — Hype чи привід для занепокоєння? Енергетична політика, 38, 4743 — 4749. doi: 10.1016/j.enpol.2010.02.026

Глосарій

викопне паливо

Нафта, газ і вугілля видобуваються шляхом хімічної трансформації наземних рослин (вугілля) і морських тварин (нафти і газу), що потрапили в земну кору під високим тиском і температурою і без доступу кисню. Освіта викопного палива може зайняти.

промислова революція

Перехід від простих інструментів і тваринного харчування для виробництва продуктів до складних машин, що працюють на спалюванні палива. Промислова революція почалася в Англії в середині 18 століття спочатку зосереджена навколо розвитку парового двигуна, що працює на вугіллі.

двигун внутрішнього згоряння

Згоряння палива всередині або «внутрішній» циліндр і рухомий поршень, який виробляє рух; бензинові двигуни є поширеним прикладом. На відміну від цього, парові двигуни - це двигуни зовнішнього згоряння, де згоряння та утворення пари знаходяться поза циліндром, що містить рухомий поршень. Двигун внутрішнього згоряння легший і портативний, ніж паровий двигун, що дозволяє здійснювати сучасні перевезення в автомобілі, поїздах з дизельним двигуном, кораблі та літаки.

пік нафти/пік Хабберта

Одна нафтова свердловина дотримується моделі збільшення видобутку в початкові роки, оскільки її рясні ресурси використовуються для зниження видобутку в зрілі роки, оскільки її ресурси виснажуються. Ці дві тенденції розділені піком видобутку свердловини. Кінг Хабберт екстраполював цю закономірність з однієї свердловини на багато і в 1956 році передбачив, що видобуток нафти в США досягне піку в середині 1970-х років. Хоча в той час широко критикували, передбачення Хабберта виявилося правдивим. Цей успіх призвів до поширених прогнозів піку світового видобутку нафти. Поняття пікового масла є неминучим наслідком використання нафти швидше, ніж це можна зробити. Однак спроби передбачити, коли настане пік, як відомо, важко.