Тема 1. Экономические и экологические требования к

Тема 1. Экономические и экологические требования к энергогенерирующим
материалам (2 часа).
Экономический рост и повышение численности населения мира влекут за
собой рост энергопотребления и спроса на электроэнергию. Согласно прогнозам
к 2030 году энергопотребление во всем мире должно вырасти в полтора раза по
сравнению с 2012 годом. Обеспечение растущих потребностей в энергии
является ключевым фактором, определяющим и темпы роста мировой
экономики и благосостояния общества.
Согласно данным Европейской Комиссии по состоянию на 2009 год
Россия производила 10% общемировой энергии при потреблении всего 5%.
Таким
образом,
Россия
является
одним
из
крупнейших
экспортеров
энергетических ресурсов.
а - производство энергии
б - потребление энергии
Рисунок 1.1. Сравнение общемирового производства и потребления энергии.
Как показывает опыт, повышение потребления энергии, вырабатываемой
традиционными методами, приводит к необратимым изменениям климата земли.
Все больше ученых признают, что в результате накопления парниковых газов
(углекислого
газа,
метана,
закиси
азота)
в
атмосфере
все
больше
длинноволновой тепловой энергии, отраженной Землей, возвращается обратно
из-за обратного отражения (рис 1.2). Концентрация парниковых газов в
атмосфере возрастает с достаточно высокой скоростью. Например, если
концентрация CO2 в атмосфере в 1750 г. составляла 280 ppm (частей на
миллион), то в 2004 г данная величина выросла до 370 ppm. По прогнозам
ученых в 2100 г. концентрация CO2 будет находиться в пределах от 540 до 970
ppm.
Парниковые газы характеризуются большим сроком нахождения в
атмосфере. Половина всех выбросов CO2 остается в атмосфере 50–200 лет, в то
время как вторая половина поглощается океаном, сушей и растительностью. При
этом основная роль принадлежит океану, по некоторым оценкам, примерно 80%
поглощения CO2 и производства кислорода приходится на фитопланктон (рис.
1.2).
Рисунок 1.2. Источники парниковых газов.
Парниковый эффект от разных газов можно привести к общему знаменателю,
выражающему то, насколько 1 тонна того или иного газа дает больший эффект,
чем 1 тонна CO2. Для метана переводной коэффициент равен 21, для закиси
азота 310, а для некоторых фторсодержащих газов несколько тысяч. Оценки
показывают, что с CO2 связано примерно 80% антропогенного парникового
эффекта, в то время как метан дает 18–19%, а все остальные газы 1–2%. Поэтому
во
многих
случаях,
подразумевают CO2.
говоря
об
антропогенном
парниковом
эффекте,
Средняя температура на планете при увеличении содержания диоксида
кислорода изменяется не сильно, а вот колебания внутри ее становятся
значительными,
что
приводит
к
резкому
усилению
частоты
и
силы
экстремальных погодных явлений — наводнений, засух, сильной жары, резких
перепадов погоды, тайфунов и т. п.
Из вышеизложенного следует, что необходимо предпринимать серьезные
меры по повышению энергоэффективности и уменьшению содержания СО2 в
атмосфере.
Например, только одна треть энергии угля может быть преобразована в
электрическую.
Причем,
10%
выработанной
электрической
энергии
преобразуется в свет при применении традиционных ламп накаливания.
Остальное выделяется в виде бесполезного в данном случае тепла.
Энергоэффективность может быть увеличена, как за счет увеличения КПД
двигателей и химических процессов, так и за счет повышения энергосбережения.
Особенно это актуально для сфер транспорта и жилищного хозяйства. По
данным (рис. 1.3) в Европе на эти два сегмента приходится более 50% всего
потребления энергии.
Рисунок 1.3. Распределение потребления энергии в Европе по областям
промышленности.
Mtoe – миллион тонн нефтяного эквивалента. [1 toe = 41,868 ГДж].
Уменьшение количества потребленной энергии, несомненно, снижает
нагрузку на окружающую среду.
Мировые природные запасы угля, нефти и газа ограничены, и динамика их
использования гораздо превосходит скорость их восстановления. Кроме того,
запасы полезных ископаемых распределены неравномерно, и многие страны
вынуждены закупать энергоресурсы, стоимость которых возрастает с каждым
годом.
Энергетическая
зависимость
от
других
стран
не
способствует
интенсивному развитию, и вопрос энергетической безопасности все чаще
беспокоит мировую общественность. Как было показано выше, процесс
получения энергии включает в себя стадию сжигания и, соответственно,
загрязнение атмосферы продуктами горения.
Одним
из
путей
решения
данных
проблем
является
развитие
использования альтернативных источников энергии (ветер, солнце, вода,
биомасса и т.д.). Наибольший опыт в этой области имеет Европа. По состоянию
на 2009 год в Европе производилось 13% энергии из возобновляемых
источников энергии (рис. 1.4).
Рисунок 1.4. Распределение производства энергии в Европе в зависимости от
источников.
Несмотря
на
привлекательность
использования
альтернативных
источников энергии, существует ряд проблем, которые нужно решать при
внедрении технологий переработки. Во-первых, нужен определенный уровень
технического развития, который позволяет разработать такие энергетические
системы.
Во-вторых,
необходимо
повышать
надежность
и
развивать
соответствующую инфраструктуру. В-третьих, материалы для производства,
например, солнечных батарей достаточно дороги. Влияние всех факторов
приводит к тому, что в мире менее, чем 1% выработанной энергии производится
из возобновляемых источников. В таблице 1.1 представлено сравнение
преимуществ и недостатков традиционных и альтернативных источников
энергии.
Несмотря на очевидные недостатки, Европейский союз проводит политику
по
увеличению
энергии,
полученной
посредством
использования
возобновляемых источников. Согласно прогнозам, к 2030 году производство
энергии в этом секторе должно увеличиться в 3 раза (рис. 1.5).
Рисунок 1.5. Прогноз развития альтернативной энергетики в Европе до 2030
года.
Таблица 1.1
Преимущества и недостатки различных технологий производства энергии.
Источник
энергии
Уголь
Преимущества
Недостатки
Большие запасы в земной коре
Высокий уровень выделения
парниковых газов
Сложность добычи
Загрязнение
воздуха
при
отсутствии систем очистки
(SOx, NOx, Hg и т.д.)
Проблема утилизации золы
Природны Большие запасы в земной коре Достаточно большой уровень
й газ
Самое
низкое
количество выделения парниковых газов
выбросов СО2 из природных Взрывоопасность
ресурсов
Относительно высокий КПД
при получении энергии
Нефть
Большие запасы в земной коре Высокий уровень выделения
парниковых газов
Сложность добычи
Ядерный
Необходимо малое количество Возможны последствия от
распад
исходных веществ
аварий
Низкий объем отходов
Необходима утилизация воды,
Большие запасы в земной коре используемой в процессе
Возможно
использовать
в
военных целях
Солнце
Нет значительных выделений Относительно малое удельное
парниковых газов
производство энергии
Нет загрязнений воздуха
Сложное
и
дорогое
Возобновляемый
источник оборудование
энергии
Зависимость от положения и
рельефа местности
Использование
токсичных
элементов
в
некоторых
материалах
фотовольтаники
(например, Cd)
Вода
Нет значительных выделений Влияет на условия жизни рыб и
других обитателей
парниковых газов
Нет загрязнений воздуха
Возобновляемый
источник
энергии
и
дорогое
Ветер
Нет значительных выделений Сложное
оборудование
парниковых газов
Возможное влияние на птиц и
Нет загрязнений воздуха
Возобновляемый
источник других животных
Шум и визуальные неудобства
энергии
Геотермал Нулевые или малые выделения Возможное влияние на водные
ресурсы
ьность
парниковых газов
Нет значительных загрязнений Сейсмическая активность
воздуха
Биомасса Возможно
уменьшение Относительно малое удельное
производство энергии
выбросов парниковых газов
Может быть возобновляемым Возможно загрязнение почвы и
источником в зависимости от воды удобрениями
от
других
методов сельского хозяйства и Зависимость
ресурсов (земля, вода)
доступности воды
Возможно
парниковых
сжигании,
биотоплива
выделение
газов
при
например,
Для снижения выбросов СО2 в атмосферу разрабатываются методы
искусственной секвестрации. Под секвестрацией понимают сбор и хранение
диоксида углерода в специальных хранилищах. В качестве таких хранилищ
наиболее соблазнительно использовать выработанные угольные и нефтяные
месторождения и растворять СО2 в грунтовых водах и океане. Однако, до сих
пор идут споры о надежности таких методов, т.к. в случае землетрясений такие
хранилища могут быть повреждены и огромное количество хранимого газа
попадет в атмосферу. Такой удар может нарушить экологический баланс земли.
Вторым сдерживающим фактором является дороговизна. Для закачки газа на
значительные глубины требуется затратить некоторую энергию. По оценкам
экономистов при введении обязательной секвестрации цена на электроэнергию
может вырасти более, чем в 2 раза.
Список первичных материалов, из которых производится энергия,
довольно большой (солнце, энергия ядра и т.д.), но наиболее удобными формами
для потребления является электричество, водород и биотопливо. Каждый метод
преобразования имеет стоимость, эффективность и влияние на окружающую
среду. В зависимости от поставленных задач выбирают тот или иной метод.
Повышение эффективности и уменьшение затрат имеющихся методов
преобразования энергии и разработка новых технологий – это важная научнотехническая задача и требует знаний фундаментальных основ материаловедения.
Несмотря на то, что в настоящее время доступно огромное количество
материалов с известными свойствами, подобрать лучший материал для
применения в определенном месте чрезвычайно сложно. При выборе материала
необходимо учитывать цену, доступность и обрабатываемость.
Во многих случаях задача ученых и инженеров состоит в том, чтобы
выбрать подходящий материал из многих тысяч, имеющихся на рынке.
Существует несколько критериев, на основании которых следует сделать
окончательный выбор. Прежде всего, необходимо четко охарактеризовать
условия применения изделия, поскольку именно они определяют необходимые
свойства материала. Лишь в очень редких случаях существует материал,
который в максимальной степени или идеально отвечает предъявляемым
требованиям.
Поэтому
зачастую
приходится
пренебрегать
одними
характеристиками материала по сравнению с другими более важными.
Классический пример — это требования по прочности и пластичности. Обычно
материал, обладающий очень высокой прочностью, оказывается недостаточно
пластичным. Во всех таких случаях необходимо приходить к разумному
компромиссу между двумя или большим количеством необходимых свойств.
Далее, необходимо основывать выбор на том, насколько могут снижаться
свойства материала в процессе эксплуатации изделия. Например, весьма
заметное снижение прочности может быть результатом действия повышенных
температур или коррозии в окружающей среде. И, наконец, решающий аргумент
может быть связан с экономическими соображениями. Какова будет стоимость
конечного изделия? Можно найти материал, который идеально подходил бы по
своим свойствам всем предъявляемым требованиям, но был бы чрезмерно дорог.
И здесь опять-таки неизбежен определенный компромисс. Следует учесть, что в
стоимость конечного продукта входят не только стоимость материала, но и
затраты в процессе формования готового изделия.
Твердые материалы обычно подразделяются на три основные группы. Это
металлы, керамика и полимеры. Это деление основывается, прежде всего, на
особенностях
химического
строения
и
атомной
структуры
вещества.
Большинство материалов можно вполне однозначно отнести к той или иной
группе, хотя возможны и промежуточные случаи. Кроме того, следует отметить
существование
композитов,
в
которых
комбинируются
материалы,
принадлежащие к двум или трем из перечисленных групп. Ниже будет дано
краткое описание различных типов материалов и приведены их сравнительные
характеристики. Прочностные характеристики в зависимости от прочности для
различных материалов приведены на (рис. 1.6)
Рисунок 1.6. Зависимость прочности от плотности некоторых материалов.
Еще одним типом материалов являются современные специальные
(advanced)
материалы,
высокотехнологичных
предназначенные
(high-tech)
областях,
для
таких
применения
как
в
полупроводники,
материалы биологического назначения, «умные» (smart) материалы и вещества,
используемые в нанотехнологии.
Металлы и сплавы имеют высокую степень упорядоченности. Кроме того,
по сравнению с керамикой и полимерными материалами плотность металлов
сравнительно высока. Что касается механических свойств, то все эти материалы
относительно жесткие и прочные. Кроме того, они обладают определенной
пластичностью (т.е. способностью к большим деформациям без разрушения), и
сопротивляемостью разрушению, что обеспечило им широкое применение в
разнообразных конструкциях.
В металлических материалах имеется коллективизация электронов, т. е.
присутствуют электроны, не связанные с определенными атомами. Именно
присутствием таких электронов непосредственно объясняются многие свойства
металлов. Например, металлы представляют собой исключительно хорошие
проводники для электрического тока и тепла. Они непроницаемы для видимого
света. Полированные поверхности металлов блестят. Кроме того, некоторые
металлы (например, железо, кобальт и никель) обладают желательными для их
применения магнитными свойствами.
Керамика — это группа материалов, занимающих промежуточное
положение между металлами и неметаллическими элементами. Как общее
правило, к классу керамики относятся оксиды, нитриды и карбиды. Так,
например, некоторые из наиболее популярных видов керамик состоят из оксида
алюминия (Al2O3), диоксида кремния (SiO2), нитрида кремния (Si3N4). Кроме
того, к числу тех веществ, которые многие называют традиционными
керамическими материалами, относятся различные глины (в частности те,
которые идут на изготовление фарфора), а также бетон и стекло. Что касается
механических свойств, то керамика — это относительно жесткие и прочные
материалы, сопоставимые по этим характеристикам с металлами. Кроме того,
типичные виды керамики очень твердые. Однако керамика исключительно
хрупкий материал (практически полное отсутствие пластичности) и плохо
сопротивляется разрушению. Все типичные виды керамики не проводят тепло и
электрический ток (т.е. их электропроводность очень низкая).
Для керамики характерно более высокое сопротивление высоким
температурам и вредным воздействиям окружающей среды. Что касается их
оптических свойств, то керамика может быть прозрачным, полупрозрачным или
совсем непрозрачным материалом.
Композиты представляют собой комбинацию из двух (или большего
числа) отдельных материалов, относящихся к различным классам веществ,
перечисленным выше, т.е. металлов, керамики и полимеров. Целью создания
композитов было стремление достичь такого сочетания свойств различных
материалов, которые не могут быть получены для индивидуальных компонент, а
также обеспечить оптимальное сочетание их характеристик. Известно большое
количество различных композитов, которые получены при совмещении
металлов, керамики и полимеров. Более того, некоторые природные материалы
также представляют собой композиты, например, это дерево и кость.
Примером технологически важного композита являются углепластики —
полимеры, армированные углеродными волокнами (CFRP). В этих материалах в
полимерную матрицу помещают углеродные волокна. Материалы этого типа
более жесткие и более прочные по сравнению со стеклопластиками, но в то же
время более дорогие. Углепластики используют в аэрокосмической технике, а
также при изготовлении высококачественного спортивного оборудования,
например велосипедов, клюшек для гольфа, теннисных ракеток, лыж и
сноубордов.
Материалы,
которые
высокотехнологичных
предназначены
изделиях
(«хай-тек»)
для
иногда
использования
условно
в
определяют
термином «прогрессивные» материалы. Под высокими технологиями обычно
имеются в виду устройства или изделия, работа которых основана на
использовании сложных современных принципов. К числу таких изделий
относится различное электронное оборудование, в частности цифровые видеоаудио камеры, CD/DVD проигрыватели, компьютеры, оптико-волоконные
системы, а также космические спутники, изделия аэрокосмического назначения
и ракетных технологий.
Прогрессивные материалы, по существу, представляют собой обычно
типичные обсуждавшиеся выше вещества, но с улучшенными показателями
свойств,
но
также
и
новые
материалы,
обладающие
выдающимися
характеристиками. Эти материалы могут быть металлами, керамикой или
полимерами, однако их стоимость обычно очень высока. К числу прогрессивных
материалов также относятся полупроводники, биоматериалы и вещества,
которые мы называем «материалами будущего». Это так называемые «умные»
материалы и изделия нанотехнологии, которые предназначены, например, для
изготовления лазеров, интегральных схем, магнитных хранителей информации,
дисплеев на жидких кристаллах и оптических волокон.
Полупроводники по электрическим свойствам занимают промежуточное
положение
между
электропроводящими
материалами
(металлами
и
металлическими сплавами) и изоляторами (керамикой и полимерами). Кроме
того, электрические характеристики полупроводников крайне чувствительны к
присутствию минимальных количеств посторонних атомов, концентрацию
которых необходимо контролировать вплоть до уровня очень малых областей.
Создание полупроводниковых материалов сделало возможным разработку
интегральных систем, которые произвели революцию в электронике и
компьютерной технике в течение трех последних десятилетий.
«Умными» (или интеллектуальными) материалами называют группу новых
искусственно разрабатываемых веществ, которые оказывают существенное
влияние на многие современные технологии. Определение «умные» означает,
что эти материалы способны чувствовать изменения в окружающей среде и
отзываться на эти изменения заранее определенным образом — качество,
присущее живым организмам. Концепция «умных» материалов также была
распространена на сложные системы, построенные как из «умных», так и
традиционных веществ.
В
качестве
компонентов
умных
материалов
(или
систем)
могут
использоваться некоторые типы датчиков (распознающих входящие сигналы), а
также исполнительные системы (активаторы), играющие роль отвечающих и
адаптивных устройств. Последние могут использоваться для изменения формы,
положения, собственных частот или механических характеристик как ответа на
изменение
температуры,
интенсивности
освещенности,
напряженности
электрического или магнитного полей.
В качестве активаторов обычно используют материалы четырех типов: это
сплавы с памятью к изменению формы, пьезоэлектрические виды керамики,
магнитострикционные материалы и электрореологические/электромагнитные
жидкости. Материалы/устройства, используемые в качестве датчиков, могут
быть оптическими волокнами, пьезоэлектриками (к их числу относятся
некоторые
полимеры)
и
микроэлектромеханическими
устройствами,
аббревиатура MEMS.
Несмотря на то, что за последние несколько лет был достигнут огромный
прогресс в области материаловедения и технологии применения материалов, все
же
остается
необходимость
в
создании
еще
более
совершенных
и
специализированных материалов, а также в оценке взаимосвязей между
производством таких материалов и его влиянием на окружающую среду.
Большие затраты энергии связаны с перевозками. Уменьшение веса
транспортирующих устройств (автомобилей, самолетов, поездов и т.д.), также
как и увеличение температуры, при которой работают двигатели, будет
способствовать более эффективному потреблению энергии. Для этого требуется
создать высокопрочные легкие инженерные материалы, равно как и материалы,
которые могут работать в условиях повышенных температур.
Для поддержания качества окружающей среды на требуемом уровне
необходимо осуществлять контроль состава воздуха и воды. Для осуществления
контроля
загрязнений
используют
различные
материалы.
Кроме
того,
необходимо усовершенствовать методы переработки и очистки материалов с
тем, чтобы снизить загрязнение окружающей среды, т.е. стоит задача создавать
меньше отходов и меньше вредить окружающей природе при добыче полезных
ископаемых. Следует также учесть, что при производстве некоторых материалов
образуются токсичные вещества, так что следует учесть возможный ущерб
экологии от сброса таких отходов.
Кроме
всего
вышеперечисленного,
возникает
необходимость
экономической оценки не только производства, но и учета экологических
факторов, так что оказывается необходимым проанализировать весь жизненный
цикл материала.
компонентов,
производимых
из
так
называемых
полупроводниковых
материалов.
Создание ядерной энергетики предлагает определенные обещания будущего,
но здесь остаются многочисленные проблемы, связанные с разработкой новых
материалов, которые необходимы на всех стадиях — от системы размещения
топлива в реакторе до хранения радиоактивных отходов.
Вопросы для самоконтроля.
1. Назовите парниковые газы и объясните их влияние на окружающую среду.
2. Какие области хозяйства и промышленности являются самыми крупными
потребителями энергии?
3. Какие источники энергии называют альтернативными?
4. Объясните сущность технологии секвестрации.
5. Дайте определение композиционным материалам.