12.12: Енергія Землі

Значна частина енергії Землі надходить від Сонця. Майже все життя на Землі залежить від сонячної енергії, оскільки рослини використовують сонячне світло для отримання їжі через процес фотосинтезу. Фотосинтез був процесом, який годував рослини і тварин, які, в свою чергу, протягом мільйонів років, стали викопним паливом. Сонце нагріває деякі ділянки Землі більше, ніж інші області, що викликає вітер. Енергія Сонця також рухає круговорот води, який переміщує воду по поверхні Землі. Деякі з цих видів енергії можуть бути використані для використання людьми.

Іншим основним джерелом енергії є внутрішнє тепло Землі. Це тепло має два походження: розпад хімічних елементів радіоактивністю і тепло, яке залишилося від того моменту, коли планета зібралася разом. Ці два джерела будуть більш детально описані в наступних розділах.

ЕНЕРГЕТИЧНІ РЕСУРСИ

Все вимагає енергії. Навіть коли ви сидите так само, як ви можете, ваше тіло використовує енергію, щоб дихати, циркулювати кров, перетравлювати їжу та виконувати багато інших функцій. Виробництво світла або тепла вимагає енергії. Виготовлення чогось вимагає енергії. Рослинам і тваринам потрібна енергія для функціонування. Повторюватися, все вимагає енергії!

Потреба в енергії

Енергія - це здатність робити роботу або виробляти зміни. Кожній живій істоті потрібна енергія для виконання своїх щоденних функцій і ще більше енергії для зростання. Рослини отримують енергію з «їжі», яку вони виробляють шляхом фотосинтезу, а тварини отримують енергію прямо чи опосередковано з цієї їжі. Люди також використовують енергію для багатьох речей, таких як приготування їжі, збереження морозива в морозильній камері, опалення будинку, будівництво хмарочоса або освітлення своїх будинків. Оскільки мільярди людей у всьому світі використовують енергію, існує величезна потреба в енергоресурсах (рисунок 1). Енергозбереження - це те, що кожен може зробити зараз, щоб допомогти зменшити навантаження на енергетичні ресурси.

Малюнок 1. Вежі електричної передачі, як показано на цьому малюнку, допомагають доставляти електроенергію, яку люди використовують для енергії щодня.

Закон збереження енергії говорить про те, що енергія не може бути створена або знищена. Це означає, що незважаючи на те, що енергія змінює форму, загальна кількість енергії завжди залишається незмінною. Як перетворюється енергія з одного типу в інший, коли ви штовхаєте футбольний м'яч? Коли ваше тіло розщеплює їжу, яку ви їсте, він зберігає енергію з їжі як хімічну енергію. Хімічна енергія зберігається в межах хімічних зв'язків. Але частина цієї накопиченої енергії повинна бути звільнена, щоб змусити м'язи ніг рухатися. Хімічна енергія перетворюється в іншу форму енергії, яка називається кінетичною енергією. Кінетична енергія - це енергія чого-небудь в русі. Ваші м'язи рухають ногою, нога штовхає м'яч, а м'яч отримує кінетичну енергію від удару. Таким чином, ви можете думати про дію штовхання м'яча як про історію зміни енергії форм.

Щоб дізнатися квадратичні рівняння, пов'язані з тим, щоб швидко рухається автомобіль подолати свою кінетичну енергію і прийти до зупинки, подивіться це відео:

Потенційна енергія - це енергія, яка зберігається. Потенційна енергія має потенціал для роботи або потенціал для перетворення в інші форми енергії. Якщо м'яч сидить на самому краю на вершині пагорба, він не рухається, але має багато потенційної енергії.

Анімації, що показують перетворення потенційної енергії в кінетичну енергію, можна побачити на наступних сайтах:

• Енергетична трансформація для гірських лиж
• Трансформація енергії на американських гірках
• Енергетична трансформація для дротика

Енергетика, паливо та тепло

Якщо ви читаєте книгу під запаленою лампою, ця лампа має енергію від електрики. Енергія, щоб зробити електрику, надходить від палива. Паливо має енергію, яку воно виділяє. Паливо - це будь-який матеріал, який може виділяти енергію при хімічній зміні.

Які бувають приклади палива, і для чого вони використовуються?

1. Їжа - це паливо для вашого організму.
2. Сонячне світло - це енергія, необхідна рослинам, щоб зробити їжу шляхом фотосинтезу.
3. Бензин - паливо для автомобілів.
4. Водень - паливо для Сонця.

Щоб паливо було корисним, його енергія повинна виділятися таким чином, яким можна керувати. Контроль вивільнення енергії дає можливість використовувати енергію для виконання роботи. Коли паливо використовується для його енергії, воно зазвичай спалюється, і велика частина енергії виділяється у вигляді тепла (рис. 2). Потім тепло може бути використано для виконання роботи. Подумайте про людину, яка вражає сірник, щоб підпалити кілька маленьких гілочок. Після того, як гілочки згорять деякий час, вони нагріваються досить, щоб деякі більші палички горіли. Вогонь продовжує нагріватися, і незабаром він досить гарячий, щоб спалити цілі поліна. Досить скоро вогонь реве, і каструля з водою, поставлена на вогонь, починає кипіти. Частина рідкої води випаровується.

Малюнок 2. Керований вогонь.

Що є джерелом енергії для кип'ятіння і випаровування води? Хоча деяка хімічна енергія від сірника була введена в запуск вогню, тепло кипіння і випаровування води надходить від енергії, яка зберігалася в деревині. Дрова - це паливо для багаття.

Види енергетичних ресурсів

Енергетичні ресурси є або відновлюваними, або невідновлюваними. Невідновлювані ресурси використовуються швидше, ніж їх можна замінити, тому доступне суспільству пропозиція обмежена (див. Приклад на малюнку 3). Поновлювані ресурси не закінчаться, оскільки вони замінюються так само швидко, як і використовуються. Чи можете ви подумати про деякі відновлювані та невідновлювані джерела енергії?

Малюнок 3. Вугілля антрацит є невідновлюваним енергетичним ресурсом.

Невідновлювані ресурси

Викопне паливо - вугілля, нафта та природний газ - є найпоширенішим прикладом невідновлюваних енергетичних ресурсів. Викопне паливо утворюється з скам'янілостей, частково розклалися залишків колись живих рослин і тварин. Ці скам'янілості зайняли мільйони років, щоб утворитися. Коли викопне паливо спалюється для отримання енергії, вони виділяють забруднюючі речовини в атмосферу. Викопне паливо також виділяє вуглекислий газ та інші парникові гази, які спричиняють підвищення глобальних температур. Екологічні наслідки використання викопного палива обговорюються в розділах «Клімат» та «Дії людини та атмосфера».

Відновлювані ресурси

Відновлювані енергетичні ресурси включають сонячну енергію, воду, вітер, біомасу та геотермальну енергію. Ці ресурси або практично безмежні, як Сонце, яке буде продовжувати світити мільярди років, або будуть замінені швидше, ніж ми можемо ними скористатися. Кількість падаючої води або вітру буде змінюватися з плином часу, але вони досить рясні. Енергію біомаси, як дрова для вогню, можна швидко замінити.

Використання поновлюваних ресурсів також може спричинити проблеми. Деякі дорогі, а деякі, наприклад, дерева, мають інше використання. Деякі викликають екологічні проблеми. У міру вдосконалення технології і все більше людей використовують відновлювану енергію, ціни можуть знизитися. У той же час, коли ми використовуємо викопне паливо, вугілля, нафту та природний газ, ці невідновлювані ресурси стануть дорожчими. У якийсь момент, навіть якщо витрати на відновлювані джерела енергії будуть високими, невідновлювана енергія буде ще дорожчою. Зрештою, нам доведеться використовувати поновлювані джерела.

Важливі речі, які слід враховувати щодо енергетичних ресурсів

Як з поновлюваними, так і невідновлюваними ресурсами, слід враховувати принаймні дві важливі речі. Одна з них полягає в тому, що ми повинні мати практичний спосіб перетворити ресурс в корисну форму енергії. Інша полягає в тому, що ми повинні розглянути, що відбувається, коли ми перетворюємо ресурс на енергію.

Наприклад, якщо ми отримуємо набагато менше енергії від спалювання палива, ніж ми вкладаємо в його виготовлення, то це паливо, ймовірно, не є практичним енергетичним ресурсом. З іншого боку, якщо інше паливо дає нам велику кількість енергії, але створює велику кількість забруднення, це паливо також може бути не найкращим вибором для енергетичного ресурсу.

Сьогодні ми покладаємося на електроенергію більше, ніж будь-коли, але ресурси, які в даний час постачають нашу енергію, є кінцевими. Гонка триває, щоб використовувати більше відновлюваних ресурсів, але отримання всієї цієї чистої енергії від виробничих майданчиків до будинків і підприємств виявляється серйозною проблемою.

НЕВІДНОВЛЮВАНІ ЕНЕРГЕТИЧНІ РЕСУРСИ

Мільйони років тому рослини використовували енергію Сонця для утворення цукрів, вуглеводів та інших багатих енергією вуглецевих сполук, які згодом були перетворені на вугілля, нафту або природний газ. Сонячна енергія, що зберігається в цих видах палива, є багатим джерелом енергії. Хоча викопне паливо забезпечує дуже високу якість енергії, вони не є відновлюваними.

Значною мірою невідновлювані джерела енергії відповідають за світове світло, яке видно в цій анімації.

Формування викопних палив

Чи можете ви назвати деякі скам'янілості? Як щодо кісток динозаврів або слідів динозаврів? Скелети тварин, зуби, оболонки, копроліти (інакше відомі як фекалії) або будь-які інші залишки або сліди від живої істоти, яка стає скелею, є викопним.

Малюнок 4. Це водно-болотне угіддя може виглядати чимось на зразок стародавнього вугільноутворюючого болота.

Ті самі процеси, що утворили ці скам'янілості, також створили деякі наші найважливіші енергетичні ресурси, викопне паливо. Вугілля, нафта та природний газ - це викопне паливо. Викопне паливо надходить з живої речовини, починаючи приблизно 500 мільйонів років тому. Оскільки рослини і тварини гинули, їх останки осідали на землі і в болотах, озерах і морях (рис. 4).

З плином часу шар за шаром ці залишки накопичуються. Зрештою, шари були поховані настільки глибоко, що їх розчавила величезна маса землі. Вага цієї землі, що тисне на ці рослинні і тваринні останки, створював інтенсивну спеку і тиск. Після мільйонів років тепла і тиску матеріал в цих шарах перетворився на хімічні речовини, звані вуглеводнями (рис. 5). Ось анімований вид вуглеводню.

Малюнок 5. Вуглеводні виготовляються з атомів вуглецю і водню. Ця молекула з одним вуглецем і чотирма атомами водню є метан.

Вуглеводні можуть бути твердими, рідкими або газоподібними. Тверда форма - це те, що ми знаємо як вугілля. Рідка форма - це нафта, або сира нафта. Природний газ - газоподібна форма.

Вугілля

Вугілля, тверде викопне паливо, утворене з частково розкладених залишків стародавніх лісів, спалюється насамперед для виробництва електроенергії. Використання вугілля зазнає величезного зростання, оскільки доступність нафти та природного газу зменшується, а вартість збільшується. Це збільшення використання вугілля відбувається особливо в країнах, що розвиваються, таких як Китай, де вугілля дешеве і рясне.

Утворення вугілля

Вугілля утворюється з мертвих рослин, які оселилися на дні стародавніх боліт. Пишні вугільні болота були поширені в тропіках в кам'яновугільний період, який відбувся понад 300 мільйонів років тому (рис. 6). Клімат тоді був теплішим.

Малюнок 6. Розташування материків в кам'яновугільний період. Зверніть увагу, що досить велика площа суші знаходиться в районі тропіків.

Грязь та інші мертві рослини поховали органічний матеріал у болоті, а поховання утримували кисень подалі. Коли рослини закопуються без кисню, органічний матеріал може бути збережений або скам'янілий. Пісок і глина, осідаючи поверх гниючих рослин, видавлюють воду та інші речовини. Мільйони років по тому, що залишається, - це вуглецева порода, яку ми знаємо як вугілля.

Малюнок 7. Бітумне вугілля являє собою осадову породу.

Вугілля буває чорним або коричнево-чорним. Найбільш поширеною формою вугілля є бітумна, осадова порода, яка містить такі домішки, як сірка (рис. 7). Антрацитове вугілля, показане на малюнку 3, було метаморфозіроване і є майже всім вуглецем. З цієї причини антрацитове вугілля горить більш чисто, ніж бітумне вугілля.

Використання вугілля

У всьому світі вугілля є найбільшим джерелом енергії для отримання електроенергії. США багаті вугіллям (рис. 8). Каліфорнія колись мала ряд невеликих вугільних шахт, але штат більше не видобуває вугілля. Щоб перетворити вугілля в електрику, породу подрібнюють в порошок, який потім спалюють в печі, що має котел. Як і інші види палива, вугілля виділяє свою енергію як тепло при згорянні. Тепло від палаючого вугілля кип'ятить воду в котлі, щоб зробити пар. Пар розкручує турбіни, які перетворюють генератори для створення електроенергії. Таким чином, енергія, що зберігається у вугіллі, перетворюється на корисну енергію, таку як електроенергія.

Малюнок 8. Регіони видобутку вугілля США в 1996 році. Помаранчевий - антрацит вищого сорту; червоний - низьколетючий бітумний; сірий і сіро-зелений - середній до високолетючий бітумний; зелений - суббітумний; а жовтий - лігніт найнижчого сорту

Вугілля, яке було розташоване, але не використовується, є частиною наших запасів. Запаси важливі, тому що якщо ціна ресурсу зростає або вартість його видобутку знизиться, вони можуть бути корисними.

Наслідки використання вугілля

Щоб вугілля використовувалося в якості джерела енергії, його спочатку потрібно видобувати. Видобуток вугілля відбувається на поверхні або під землею методами, які описані в розділі «Мінерали Землі» (рис. 9). Гірнича справа, особливо підземна видобуток, може бути небезпечною. У квітні 2010 року двадцять дев'ять шахтарів загинули на вугільній шахті Західної Вірджинії, коли газ, який накопичився в шахтних тунелі, вибухнув і почав пожежу.

Малюнок 9. Вугілля, що використовується на електростанціях, необхідно видобувати. Одним із способів видобутку вугілля є видалення вершини гори.

Деякі можливі види екологічної шкоди від видобутку корисних копалин розглядаються в розділі «Мінерали Землі». Видобуток вугілля викриває мінерали та гірські породи від підземних до повітря та води на поверхні. Багато з цих мінералів містять елемент сірка, яка змішується з повітрям і водою, утворюючи сірчану кислоту, сильно корозійну хімічну речовину. Якщо сірчана кислота потрапляє в потоки, вона може вбити риб, рослини та тварин, які живуть у воді або поблизу неї.

Нафта

Нафта - це рідке викопне паливо, яке надзвичайно корисно, оскільки його можна легко транспортувати та використовувати в автомобілі та інших транспортних засобах. Нафта в даний час є єдиним найбільшим джерелом енергії в світі.

Освіта нафти

Нафта з землі називається сира нафта, яка являє собою суміш безлічі різних вуглеводнів. Сира нафта являє собою густий темно-коричневий або чорний рідкий вуглеводень. Нафта також утворюється з похованих мертвих організмів, але це крихітні організми, які живуть на поверхні моря, а потім занурюються на морське дно, коли вони гинуть. Мертві організми утримуються подалі від кисню шарами інших мертвих істот і відкладень. У міру накопичення шарів тепло і тиск збільшуються. За мільйони років мертві організми перетворюються в рідку олію.

Видобуток нафти

Для того щоб збиратися, масло повинно розташовуватися між пористим шаром гірської породи і непроникним шаром (рис. 10). У пастці над пористим шаром гірської породи та під непроникним шаром нафта залишатиметься між цими шарами, поки вона не буде витягнута з гірської породи.

Малюнок 10. Нафта (червона) знаходиться в пористому гірському шарі (жовтому) і захоплена непроникним шаром (коричневим). Складена конструкція дозволила нафті басейну, щоб в резервуар можна було пробурити свердловину.

• Ось анімація формування родовища нафти.
• Потім масляну кишеню свердлити з поверхні. Ось анімація буріння нафтового родовища.
• Бічне буріння дозволяє видобувати родовище, яке лежить під землею, яку неможливо пробурити для видобутку нафти.

Щоб розділити різні типи вуглеводнів у сирої нафти для різних цілей, сира нафта повинна бути очищена на нафтопереробних заводах, як показано на малюнку 11. Переробка можлива тому, що кожен вуглеводень в сирої нафти кипить при різній температурі. Коли масло кип'ятять на НПЗ, окреме обладнання збирає різні сполуки.

Малюнок 11. Такі нафтопереробні заводи розділяють сиру нафту на багато корисних видів палива та інших хімічних речовин.

Використання масла

Більшість сполук, які виходять з процесу переробки, є паливами, такими як бензин, дизельне паливо та мазут. Оскільки ці види палива є багатими джерелами енергії і легко транспортуються, нафта забезпечує близько 90% енергії, що використовується для транспортування по всьому світу. Решта сполуки з сирої нафти використовуються для воску, пластмас, добрив та інших продуктів.

Бензин знаходиться в зручній формі для використання в легкових і інших транспортних засобах. У двигуні автомобіля згорілий бензин в основному перетворюється на вуглекислий газ і водяну пару. Паливо виділяє більшу частину своєї енергії у вигляді тепла, що змушує гази розширюватися. Це створює достатню силу для переміщення поршнів всередині двигуна і для живлення автомобіля.

Наслідки використання нафти

Сполучені Штати дійсно виробляють нафту, але обсяг видобутку становить лише близько чверті стільки, скільки використовує країна. Сполучені Штати мають лише близько 1,5% доведених світових запасів нафти, і тому більша частина нафти, що використовується американцями, повинна бути імпортована з інших країн.

Основними нафтовидобувними регіонами США є Мексиканська затока, Техас, Аляска, Каліфорнія. Більшість морських бурінь відбувається в Мексиканській затоці, але в Каліфорнії є і морські платформи (рис. 12). Ось анімація розташування нафтових басейнів у суміжних Сполучених Штатах.

Малюнок 12. Офшорні місця розташування свердловин у Мексиканській затоці. Відзначимо, що деякі свердловини розташовані в дуже глибокій воді.

Як і в кожному виді видобутку, видобуток нафти має екологічні наслідки. Нафтові вишки непривабливі (рис. 13), а розливи занадто поширені (рис. 14).

Малюнок 13. Бурові установки на нафтовому родовищі Сан-Ардо в Монтереї, штат Каліфорнія.

Малюнок 14. Смертельний вибух на нафтовій вишці в Мексиканській затоці в квітні 2010 року призвів до масового розливу нафти. Коли цей знімок був зроблений в липні 2010 року, нафта все ще викидалася в затоку. Довгострокові наслідки розливу вивчаються і поки невідомі.

Природний газ

Природний газ, часто відомий просто як газ, складається здебільшого з вуглеводневого метану (див.

Утворення природного газу

Природний газ утворюється в тих же умовах, які створюють нафту. Органічний матеріал, похований у відкладах, твердне, перетворюється на сланцеве утворення, яке є джерелом газу. Хоча природний газ утворюється при більш високих температурах, ніж сира нафта, вони часто зустрічаються разом. Формування видобувного родовища нафти і газу видно в цій анімації.

Найбільші запаси природного газу в США знаходяться в басейні Аппалачі, штат Техас, і в регіоні Мексиканської затоки (рис. 15). У Каліфорнії також є природний газ, зустрічається в основному в Центральній долині. У північній долині Сакраменто та дельті Сакраменто, заповнене осадом корито утворилося вздовж місця, де кора була зіштовхнута разом (древній конвергентний край). Ось анімація світових запасів природного газу.

Малюнок 15. Видобуток газу в Нижньому 48 Сполучених Штатах.

Використання природного газу

Як і сира нафта, природний газ повинен бути перероблений, перш ніж його можна буде використовувати як паливо. Деякі хімічні речовини в необробленому природному газі отруйні для людини. Інші хімічні речовини, такі як вода, роблять газ менш корисним як паливо. Переробка природного газу видаляє практично все, крім метану. Після переробки газу він готовий до доставки та використання. Природний газ доставляється в будинки для таких цілей, як приготування їжі та опалення. Як і вугілля та нафта, природний газ також спалюється для отримання тепла для живлення турбін. Обертові турбіни обертають генератори, а генератори створюють електрику.

Наслідки використання природного газу

Природний газ спалює набагато чистіше, ніж інші викопні види палива, а це означає, що він викликає менше забруднення повітря. Природний газ також виробляє менше вуглекислого газу, ніж інші викопні види палива для такої ж кількості енергії, тому його ефекти глобального потепління менше (рисунок 16). Подивіться забруднення, створене автомобілем, що спалює бензин, і автомобіль, що спалює природний газ, у цій анімації.

Малюнок 16. Бурова установка на природному газі.

На жаль, буріння на природний газ може бути екологічно руйнівним. Одним із застосовуваних методів є гідравлічний розрив пласта, який також називають фрекінгом, що збільшує швидкість видобутку природного газу. Рідини перекачуються через свердловину, щоб створити тріщини в пластовій породі, яка містить природний газ. Матеріал додається в рідину, щоб запобігти змиканню переломів. Пошкодження відбувається насамперед від хімічних речовин у рідинях для гідророзриву. Хімічні речовини, які були виявлені в рідинях, можуть бути канцерогенами (викликають рак), радіоактивними матеріалами або ендокринними порушниками, які переривають гормони в тілах людей і тварин. Рідини можуть потрапляти в грунтові води або стікати в потоки та інші поверхневі води.

Запаси викопного палива

Викопне паливо забезпечує близько 85% світової енергії в цей час. Використання викопного палива у всьому світі зросло у багато разів за останні півстоліття (вугілля: 2,6x, нафта: 8x, природний газ: 14x) через збільшення населення, через збільшення кількості автомобілів, телевізорів та інших видів палива, що споживають у розвинених країнах світу, а також через поліпшення способу життя в світ, що розвивається. Минуле і прогнозоване використання різних видів енергії в Сполучених Штатах можна побачити в цій анімації.

Рисунок 17. Світові запаси нафти.

Кількість викопних палив, які залишаються невикористаними, невідома, але, ймовірно, може бути виміряна десятиліттями для нафти та природного газу та через кілька століть для вугілля (рисунок 17). Альтернативні джерела викопного палива, такі як сланці та бітумінозні піски, все частіше експлуатуються (рис. 18).

Малюнок 18. Супутниковий знімок шахти нафтових пісків в Канаді.

Екологічні наслідки видобутку цих видів палива та використання викопного палива загалом, а також те, що ці види палива не мають безмежного постачання, спонукають до розвитку альтернативних джерел енергії.

Атомна енергетика

Коли ядро атома розщеплюється, воно виділяє величезну кількість енергії, яка називається ядерною енергією. Щоб атомна енергія використовувалася в якості джерела живлення, вчені та інженери навчилися розщеплювати ядра і контролювати виділення енергії (рис. 19).

Малюнок 19. При ударі крихітною частинкою Уран-235 розбивається і виділяє енергію.

Використання ядерної енергії

Атомні електростанції, такі як на малюнку 20, використовують уран, який видобувають, переробляють, а потім концентрують у паливні стрижні. Коли атоми урану в паливних стрижнях потрапляють інші надзвичайно крихітні частинки, вони розщеплюються. Кількість дрібних частинок, допущених до потрапляння паливних стрижнів, потрібно контролювати, інакше вони призведуть до небезпечного вибуху. Енергія від атомної електростанції нагріває воду, яка створює пар і змушує турбіну обертатися. Обертається турбіна перетворює генератор, який в свою чергу виробляє електроенергію.

Малюнок 20. Такі атомні електростанції забезпечують Францію майже 80% електроенергії.

Багато країн світу використовують ядерну енергію як джерело електроенергії. У США трохи менше 20% електроенергії надходить з атомної енергії.

Наслідки атомної енергетики

Атомна енергетика чиста. Він не забруднює повітря і не виділяє вуглекислий газ. Однак використання ядерної енергії створює інші екологічні проблеми. Уран необхідно добувати (рис. 21). Процес розщеплення атомів створює радіоактивні відходи, які залишаються небезпечними протягом тисяч або сотень тисяч років. Поки що довгострокового рішення для зберігання цих відходів не існує.

Малюнок 21. Уранова шахта в національному парку Какаду, Австралія.

Розвиток атомних електростанцій затримується вже три десятиліття. Аварії на острові Три Майл та Чорнобилі, Україна підтвердили найгірші побоювання людей щодо небезпеки використання атомної енергетики (рисунок 22).

Малюнок 22. Пошкоджена будівля біля місця Чорнобильської катастрофи.

Нещодавно атомна енергетика, як видається, поверталася, оскільки суспільство шукало альтернативи викопному паливу. Але катастрофа 2011 року на АЕС Фукусіма Дайічі в Японії, можливо, призвела до нового страху перед атомною енергією. Причиною катастрофи став землетрус магнітудою 9,0 і подальше цунамі, яке скомпрометувало завод. Незважаючи на те, що загальний розплав був запобіжений, завод зазнав багаторазових часткових розплавів, порушень серцевини, випромінювання та збоїв охолодження. Повну холодну зупинку заводу планується до кінця 2011 року.

KQED: Використання ядерної енергії. Атомна енергетика є суперечливою темою в Каліфорнії та більшості інших місць. Атомна енергетика не має забруднюючих речовин, включаючи викиди вуглецю, але електростанції не завжди безпечні, а довгострокове видалення відходів - проблема, яка ще не вирішена. Майбутнє атомної енергетики каламутне.

ВІДНОВЛЮВАНІ ЕНЕРГЕТИЧНІ РЕСУРСИ

Викопне паливо має перевагу в тому, що вони дешеві та транспортабельні, але вони завдають шкоди навколишньому середовищу і врешті-решт закінчаться. Відновлювані джерела енергії, за визначенням, не закінчаться, і більшість не викликають великого забруднення. Але поновлювані джерела енергії мають і зворотну сторону. Як переваги, так і недоліки сонячної, водної, вітрової, біомаси та геотермальної енергії будуть описані в цьому уроці.

Сонячна енергетика

Сонце є основним джерелом енергії Землі, що робить розвиток сонячної енергії природним вибором альтернативного джерела енергії.

Сонячна енергія

Енергія від Сонця надходить від найлегшого елемента, водню, зливаючись разом для створення другого найлегшого елемента - гелію. Ядерний синтез виділяє величезну кількість сонячної енергії. Енергія рухається на Землю, здебільшого у вигляді видимого світла. Світло переносить енергію через порожній простір між Сонцем і Землею як випромінювання.

Використання сонячної енергії

Сонячна енергія використовується для живлення в невеликих масштабах протягом сотень років, а рослини використовують її мільярди років. На відміну від енергії з викопного палива, яка майже завжди надходить від центральної електростанції або НПЗ, сонячну енергію можна використовувати локально (рис. 23). Набір сонячних батарей на даху будинку можна використовувати для підігріву води для басейну або забезпечити електроенергією будинок.

Малюнок 23. Сонячні батареї забезпечують електроенергією Міжнародну космічну станцію.

Використання суспільством сонячної енергії в більших масштабах тільки починає зростати. Вчені та інженери ведуть дуже активні, постійні дослідження нових способів ефективнішого використання енергії від Сонця. Через величезну кількість вхідного сонячного світла сонячна енергія розробляється в Сполучених Штатах у південно-східній Каліфорнії, Неваді та Арізоні.

Сонячні електростанції перетворюють сонячне світло в електрику за допомогою великої групи дзеркал для фокусування сонячного світла на одному місці, званому приймачем (рис. 24). Рідина, така як олія або вода, протікає через цей приймач і нагрівається до високої температури сфокусованим сонячним світлом. Нагріта рідина передає своє тепло сусідньому об'єкту, який знаходиться при більш низькій температурі за допомогою процесу, званого провідністю. Енергія, що проводиться нагрітою рідиною, використовується для отримання електрики.

Малюнок 24. Ця сонячна електростанція використовує дзеркала для фокусування сонячного світла на вежі в центрі. Сонячне світло нагріває рідину всередині вежі до дуже високої температури, виробляючи енергію для виробництва електроенергії.

Ось відео про те, як можна концентрувати сонячну енергію, щоб її можна було використовувати для живлення.

Наслідки використання сонячної енергії

Сонячна енергія має багато переваг. Він надзвичайно рясний, поширений і ніколи не закінчиться. Але є проблеми з широким використанням сонячної енергії.

Малюнок 25. Цей експериментальний автомобіль є одним із прикладів багатьох застосувань, які інженери знайшли для сонячної енергії.

• Сонячне світло обов'язково має бути присутнім. Сонячна енергія не корисна в місцях, де часто хмарно або вночі. Однак розробляється технологія зберігання.
• Технологія, необхідна для сонячної енергії, все ще дорога. Збільшення зацікавлених клієнтів дасть стимул компаніям досліджувати і розробляти нові технології і з'ясовувати, як масово виробляти існуючі технології (рисунок 25).
• Сонячні батареї вимагають багато місця. На щастя, сонячні панелі можна розмістити на будь-якому даху, щоб забезпечити принаймні частину енергії, необхідної для будинку чи бізнесу.

Потужність води

Вода охоплює 70% поверхні планети, а водна енергетика (гідроелектроенергія) є найбільш широко використовуваним видом відновлюваної енергії у світі. Гідроелектроенергія з потоків забезпечує майже п'яту частину світової електроенергії.

Гідроелектроенергетика

Пам'ятайте, що потенційна енергія - це енергія об'єкта, який чекає падіння. Вода, що утримується за дамбою, має багато потенційної енергії. На гідроелектростанції гребля через русло річки тримає струмок для створення водосховища. Замість того, щоб стікати по його нормальному каналу, воді дозволяється стікати у велику турбіну. У міру руху води вона має кінетичну енергію, яка змушує турбіну обертатися. Турбіна підключається до генератора, який виробляє електрику (рис. 26).

Рисунок 26. Перетин гідроелектростанції.

Більшість потоків у США та інших країнах розвиненого світу, придатних для гідроенергетики, вже заглушені (рис. 27). У Каліфорнії близько 14,5% загальної електроенергії надходить від гідроенергетики. Майже 400 гідроелектростанцій штату в основному розташовані в східних гірських хребтах, де великі потоки спускаються вниз по крутому сорту.

Малюнок 27. Гідроелектричні греблі, як ця, використовують силу переміщення води для створення електроенергії.

Наслідки використання води

Основна перевага гідроенергетики полягає в тому, що вона виробляє енергію, не виділяючи ніяких забруднень. Гідроенергетика також є поновлюваним ресурсом, оскільки потік буде продовжувати текти. Однак існує обмежена кількість відповідних ділянок греблі. Гідроенергетика також має екологічні проблеми. Коли велика гребля порушує потік річки, вона змінює екосистему вище за течією. Оскільки земля затоплюється піднімаються водою, рослини та тварини витісняються або гинуть. Багато красивих пейзажів, сіл та археологічних пам'яток потонули водою у водоймі (рис. 28).

Малюнок 28. Гребля Глен Каньйон в Арізоні створила озеро Пауелл. Гребля була суперечливою, оскільки вона затопила Глен-Каньйон, прекрасний пустельний каньйон.

Гребля та турбіни також змінюють середовище нижче за течією для риб та інших живих істот. Греблі уповільнюють викид мулу, так що дельти нижче за течією відступають, а приморські міста стають небезпечно схильними до штормів і підвищення рівня моря.

Потужність води океану

Енергія хвиль і припливів може бути використана для отримання енергії води. Приливні електростанції, можливо, доведеться закрити вузьку бухту або лиман. Застосування хвильової енергії повинно бути здатним протистояти прибережним штормам та корозії морської води. Через безліч проблем з ними припливні і хвильові електростанції зустрічаються не дуже часто.

KQED: Використання сили з моря. Хоча ще не широко використовується, багато хто вважає, що приливна енергія має більший потенціал, ніж вітрова або сонячна енергія для задоволення потреб в альтернативній енергетиці. Квест радіо дивиться на плани по використанню влади з моря Сан-Франциско і вздовж північного узбережжя Каліфорнії.

Вітроенергетика

Вітроенергетика є найбільш швидкозростаючим джерелом відновлюваної енергії у світі. Вітряні млини зараз спостерігаються в багатьох місцях, окремо або, частіше, на великих полах. Вітроенергетика Америки стежить за розвитком вітроенергетики в Сполучених Штатах протягом останніх кількох років.

Вітроенергетика

Енергія від сонця також створює вітер, який можна використовувати як енергію вітру. Сонце нагріває різні місця на Землі в різній кількості. Повітря, яке стає теплим, піднімається, а потім смокче більш прохолодне повітря в це місце. Рух повітря з однієї плями в іншу уздовж землі створює вітер. Оскільки вітер рухається, він має кінетичну енергію.

Використання енергії вітру

Вітер є джерелом енергії для енергії вітру. Вітер використовувався для влади століттями. Наприклад, вітряки використовувалися для подрібнення зерна і перекачування води. Вітрильні судна подорожували енергією вітру задовго до того, як кораблі працювали на викопному паливі Вітер може бути використаний для вироблення електроенергії, так як рухається повітря розкручує турбіну для створення електрики (рис. 29). Ця анімація показує, як працює вітроенергетика.

Малюнок 29. Вітрові турбіни, як показано тут, перетворюють вітер на електрику, не створюючи забруднення.

Наслідки вітроенергетики

Вітроенергетика має безліч переваг. Він не горить, тому не виділяє забруднення або вуглекислий газ. Крім того, вітер рясний у багатьох місцях. Вітер, однак, дує не весь час, навіть незважаючи на те, що енергія потрібна весь час. Так само, як і у випадку з сонячною енергією, інженери працюють над технологіями, які можуть зберігати енергію вітру для подальшого використання.

Вітряки коштують дорого і швидко зношуються. Для живлення регіону потрібно багато вітряних млинів, тому жителі поблизу можуть скаржитися на втрату гарного виду, якщо будується вітроелектростанція. Берегові лінії зазвичай отримують багато вітру, але вітроелектростанції, побудовані поблизу пляжів, можуть спричинити нещастя для місцевих жителів та туристів.

Проект Cape Wind від Кейп-Код був затверджений, але породжує багато суперечок. Противники виступають за зелену силу, але не на цій локації. Прихильники кажуть, що потрібна чиста енергія, і проект забезпечить 75% електроенергії, необхідної для Кейп-Коду та прилеглих островів (рис. 30).

Малюнок 30. Мис Вітер від Кейп-Код в штаті Массачусетс отримує велику кількість вітру (червоний колір), але також популярний серед туристів своєю красою.

Каліфорнія була раннім прихильником вітрової енергії. Вітряки зустрічаються в гірських перевалах, де прохолодніше повітря Тихого океану всмоктується на шляху до більш теплих внутрішніх долин. Великі поля вітряних млинів можна побачити на перевалі Альтамонт у східній частині затоки Сан-Франциско, перевалі Сан-Горгоніо на схід від Лос-Анджелеса та перевалі Техачапі в південному кінці долини Сан-Хоакін.

Геотермальна енергетика

Геотермальна енергія надходить від тепла глибоко під поверхнею Землі. Нічого не потрібно робити з геотермальною енергією. Це ресурс, який можна використовувати без обробки.

Геотермальна енергія

Тепло, яке використовується для геотермальної енергії, може надходити на поверхню природним шляхом як гарячі джерела або гейзери, як The Geysers в північній Каліфорнії. Там, де вода природним чином не виходить на поверхню, інженери можуть закачувати прохолодну воду в землю. Вода нагрівається гарячою породою, а потім відкачується назад на поверхню для використання. Гаряча вода або пар з геотермальної свердловини розкручує турбіну, щоб зробити електрику.

Геотермальна енергія чиста і безпечна. Джерело енергії є поновлюваним, оскільки гаряча порода зустрічається повсюдно на Землі, хоча в багатьох куточках світу гаряча порода недостатньо близько до поверхні для будівництва геотермальних електростанцій. У деяких районах поширена геотермальна енергетика (рис. 31).

Малюнок 31. Геотермальна енергетична станція в Ісландії. Ісландія отримує близько четвертої частини своєї електроенергії з геотермальних джерел.

У США Каліфорнія є лідером з виробництва геотермальної енергії. Найбільша геотермальна електростанція в штаті знаходиться в районі геотермальних ресурсів Гейзерів в округах Напа і Сонома, на північ від Сан-Франциско. Вважається, що джерелом тепла є велика магматична камера, що лежить під площею.

KQED: Геотермальна нагрівається. Там, де внутрішнє тепло Землі наближається до поверхні, геотермальна енергія є чистим джерелом енергії. У Каліфорнії Гейзери постачають енергію для багатьох сусідніх будинків та підприємств.

Біомаса

Біомаса - це матеріал, який надходить від рослин і тварин, які нещодавно жили. Біомасу можна спалювати безпосередньо, наприклад, підпалювати дрова. Поки люди мали вогонь, люди використовували біомасу для опалення та приготування їжі. Люди також можуть переробляти біомасу для виробництва палива, яке називається біопаливо. Біопаливо може створюватися з сільськогосподарських культур, таких як кукурудза або водорості, і переробляється для використання в автомобілі (рис. 32). Перевага біопалива полягає в тому, що вони горять чистіше, ніж викопне паливо. В результаті вони створюють менше забруднення і менше вуглекислого газу. Однак критики стверджують, що кількість енергії, добрив та землі, необхідних для виробництва використовуваних культур, робить біопаливо лише трохи кращою альтернативою, ніж викопне паливо.

Малюнок 32. Біопаливо, таке як етанол, додають до бензину, щоб скоротити кількість використовуваного викопного палива.

• KQED: Наскільки зелена енергія біомаси? Органічний матеріал, як мигдальні раковини, може бути перетворений в електрику. Енергія біомаси є великим використанням відходів і є більш надійною, ніж інші відновлювані джерела енергії, але для збирання енергії біомаси використовується енергія, а рослини з біомаси виробляють забруднюючі речовини, включаючи парникові гази.
• KQED: Від відходів до ват: Біопаливо Bonanza. Коров'ячий гній може мати друге життя як джерело газу метану, який може бути перетворений на електрику. Мало того, що харчові клаптики також можуть бути перетворені в зелену енергію.
• KQED: Біопаливо: Поза етанолом. Щоб генерувати енергію біомаси, розщеплюйте клітинні стінки рослин, щоб вивільнити цукри, а потім ферментуйте ці цукри для створення палива. Кукурудза є дуже неефективним джерелом; вчені шукають набагато кращі джерела енергії біомаси.
• Сила водоростей. Багато хто вважає, що найкращим джерелом енергії біомаси на майбутнє є водорості. Порівняно з кукурудзою, водорості не є харчовою культурою, вона може рости в багатьох місцях, її набагато легше перетворити на корисне паливо та його вуглецеву нейтральність.
• Увімкніть із залишками. Їжа, яка викидається, виробляє метан, потужний парниковий газ. Але цей метан із залишків їжі можна запрягти і використовувати як паливо. Звучить як безпрограшна ситуація.

РЕЗЮМЕ УРОКУ

• Згідно із законом збереження енергії, енергія не створюється і не руйнується.
• Поновлювані ресурси можуть бути замінені за швидкістю їх використання.
• Невідновлювані ресурси доступні в обмеженій кількості або використовуються швидше, ніж їх можна замінити.
• Викопне паливо є невідновлюваними джерелами енергії, які завдають шкоди навколишньому середовищу.
• Вугілля, нафта та природний газ - це викопне паливо, що утворюється із залишків живих організмів.
• Вугілля є найбільшим джерелом енергії для виробництва електроенергії.
• Нафта і природний газ є важливими джерелами енергії для транспортних засобів та виробництва електроенергії.
• Ядерна енергія виробляється шляхом розщеплення атомів. Він також виробляє радіоактивні відходи, які дуже небезпечні протягом багатьох років.
• Сонячна енергія, водна енергія, вітроенергетика, геотермальна енергія та енергія біомаси є відновлюваними джерелами енергії.
• Сонячну енергію можна використовувати або пасивно зберігаючи і утримуючи тепло Сонця, перетворюючи його в електрику, або концентруючи його.
• Існує багато способів використання енергії рухомої води, включаючи гідроелектричні греблі та приливні та хвильові установки.
• Енергія вітру використовує енергію рухомого повітря для повороту турбін.
• Геотермальна енергія використовує тепло глибоко всередині землі для обігріву будинків або отримання пари, яка перетворює турбіни.
• Енергія біомаси використовує відновлювані матеріали, такі як деревина або зерно, для виробництва енергії.

РЕФЛЕКСІЯ ПИТАННЯ

• Яку майстерність допомагає вам розвивати цей вміст?
• Які ключові теми висвітлюються в цьому контенті?
• Як зміст цього розділу може допомогти вам продемонструвати майстерність певної майстерності?
• Які питання у вас щодо цього вмісту?

Автори та атрибуція

• Template:ContribCandelaGeo