Энергия для чайников

В 2014 году мы постоянно слышим такие слова, как чистая энергия, солнечная энергия, ископаемое топливо, выбросы углерода, цена на нефть и фрекинг. И если вы похожи на меня, вы знаете, что означают некоторые из этих слов, но не знаете других.

Итак, вот небольшой обзор основных видов энергии в современном мире и немного о каждом из них.

Начнем с того, что почти наверняка нет питание любого устройства, на котором вы читаете это (или используете для зарядки его аккумулятора) —

Возобновляемая энергия

Возобновляемая энергия, иногда называемая зеленой энергией или чистой энергией, теплая и пушистая, и всем нравится держаться за руки и петь об этом песни. Это связано с тем, что а) он использует ресурсы, которые по существу бесконечны, такие как вода, ветер или солнечный свет, или те, которые могут быть восполнены в масштабе человеческого времени, например дерево, и б) он наносит очень небольшой вред окружающей среде, условно говоря .

К сожалению, возобновляемая энергия является второстепенной частью энергетического уравнения и, по-видимому, останется таковой в течение длительного времени — проблема в том, что по сравнению с другими источниками энергии возобновляемые источники энергии дороги или неэффективны для внедрения, и страны на самом деле не в этом заинтересованы. нанося ущерб их текущей производительности и глобальной конкурентоспособности по долгосрочным причинам, особенно если другие страны не делают этого вместе с ними (мы пытались все договориться сделать это вместе, но это не сработало). Конечным результатом является то, что возобновляемые источники энергии составляют всего 19% мировой энергии, а самые чистые и экологичные виды энергии, о которых вы чаще всего слышите, составляют всего около 1% мирового потребления энергии:

Давайте подробнее рассмотрим основные возобновляемые источники энергии, которые мы используем.

Энергия биомассы создается путем сжигания живых или недавно живых организмов или превращения их в топливо — общие примеры включают сжигание древесины или преобразование кукурузы в этаноловое топливо.

Когда люди говорят о чистой энергии, вы не часто слышите слова биомасса или биотопливо. Это потому, что он менее возобновляемый и менее чистый, чем другие виды чистой энергии. Но если вы собираетесь включить биомассу в категорию возобновляемых источников, она составляет большую часть мировой возобновляемой энергии.

Плохая новость заключается в том, что, в отличие от других видов возобновляемой энергии, биоэнергия увеличивает выбросы углекислого газа, часто требует большого количества почвы, а ее ресурсы не безграничны, как солнце, ветер или вода.

Гидроэнергетика — еще одна относительно известная возобновляемая энергия, на долю которой приходится почти 4% мировой энергии и более 8% электроэнергии в США. 1 Он работает, используя силу гравитации, размещая плотину перед водой, которая падает или мчится вниз по течению. Когда вода прорывается через плотину, она вращает турбину (большой пропеллер), которая вращает витки медной проволоки между магнитами — это вырабатывает электричество, которое выбрасывается в провода и в электрическую сеть.

Этот процесс вращения турбины для выработки электроэнергии лежит в основе большинства электростанций и является источником почти всего электричества, с которым вы когда-либо сталкивались.

Энергия ветра, которая полностью используется для выработки электроэнергии, составляет около 0,5%, или 1/200 часть мирового потребления энергии. Сверхчистый и безвредный вид энергии, энергия ветра быстро растет и в некоторых местах уже довольно велика (Дания производит более четверти своей электроэнергии из ветра).

Вы много слышали о солнечной энергии, но прямо сейчас солнечная энергия покрывает только около 0,3%, или 1/300 часть мирового потребления энергии (иногда в виде электричества, иногда в виде тепла). Тонна исследований и инноваций направлена ​​на солнечные технологии, и это самая быстрорастущая возобновляемая энергия в мире. 2

Удивительно также, как мало поверхности Земли нужно покрыть солнечными панелями, чтобы обеспечить электроэнергией весь мир. Вот как мало (любезно предоставлено ЛАГИ) 3 :

Геотермальные электростанции используют силу естественного пара, выходящего из горячей внутренней части Земли, для вращения турбин и выработки электроэнергии (и, как и солнечная энергия, геотермальная энергия также часто используется для отопления). Прямо сейчас геотермальная энергия покрывает лишь около 0,2%, или 1/500 часть мирового потребления энергии.
Ладно, хватит мягкого дерьма. Двигаясь в интенсивности теперь к тому, что мощь питать то, на чем вы это читаете (но, вероятно, нет) —

Ядерная энергия

Ядерная энергия использует огромную мощность ядерного деления — процесса расщепления тяжелых атомов с выделением энергии — для выработки электроэнергии.

Ядерная энергия вызывает споры. Некоторые относятся к этому положительно, 4 часто доходят до того, что относят его к категории возобновляемых источников энергии и утверждают, что это одновременно и устойчиво, и полезно для окружающей среды, поскольку сокращает вредные выбросы. Другие думают, что эти люди глупы, 5 и что, учитывая катастрофические аварии, удаление вредных отходов, высокие затраты и повышенный риск распространения ядерного оружия и терроризма, последствия ядерной энергетики следует рассматривать как плохие или даже хуже, чем последствия энергии из ископаемого топлива.

Доводы пессимистов укрепились в 2011 году, когда цунами обрушилось на Японию и вызвало расплавление атомной электростанции Фукусима, что привело к самой разрушительной ядерной катастрофе со времен ужасной аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году. После аварии на Фукусиме ряд стран решили сократить или запретить атомную энергетику всем вместе (Германия и Италия — две страны).

И хотя эти ужасные катастрофы наносят огромный ущерб и полностью обнажают недостатки ядерной энергии, со временем ядерная энергетика стала причиной меньшего количества смертей на единицу произведенной энергии, чем любой другой крупный источник энергии (уголь, нефть, природный газ или гидроэлектроэнергия), и поскольку 1 кг урана-235 может генерировать в 2-3 миллиона раз больше энергии, чем 1 кг угля или нефти, без добавления к нашему CO₂ проблема, кажется, есть веская причина для дальнейшего изучения ядерной энергии.

По состоянию на 2011 год ядерная энергия составляла 2,8% мирового потребления энергии, но более 8% энергии в США (все в виде электричества).

А теперь о плохих парнях…

Ископаемое топливо

Сжигание ископаемого топлива (уголь, нефть и природный газ), несомненно, является самым дурацким из источников энергии, составляет 78% мирового потребления энергии (82% в США), и, вероятно, именно оно отвечает за питание любого устройства, которое вы используете. Используете, чтобы прочитать этот пост.

Ископаемому топливу можно приписать возможность промышленной революции, повышение качества жизни масс за счет роста среднего класса и толчка мира к современности. Им также можно приписать около 90 экологических катастроф, включая глобальное потепление, кислотные дожди, загрязнение воды, разливы нефти, распространение рака легких, загрязнение окружающей среды и смог, а также тот белый медведь на видео, который очень грустит, потому что его лед тает.

Вопрос: «Насколько плохи последствия сжигания ископаемого топлива, что это значит для будущего и что нам с этим делать?» это целый пост сам по себе, и один в другой раз. На сегодня давайте проигнорируем все это и просто попытаемся понять, что такое ископаемое топливо и откуда оно берется.

Основная идея ископаемого топлива заключается в том, что уголь, нефть и природный газ — это все остатки древних организмов (в основном растений и в основном тех, что жили в каменноугольном периоде 300–360 миллионов лет назад), которые умерли и чья энергия частично сохранилась до того, как они разложились. После многих миллионов лет раздавливания под сильным жаром и давлением недр Земли эти организмы и их запасенная химическая энергия были преобразованы в ископаемое топливо — и они все еще находятся под землей. Теперь мы можем добывать их, высаживать на землю и сжигать, что высвобождает их накопленную энергию (и выделяет много CO2).₂ в процессе). Большая часть электроэнергии и газа, которые мы используем, и почти вся энергия, на которой работают наши автомобили и самолеты, поступает от сжигания ископаемого топлива. Люди в 2300 году будут рассматривать это время как эру ископаемого топлива в истории человечества.

Давайте проверим большую тройку ископаемых видов топлива:

Уголь, черная осадочная порода, находящаяся в подземных слоях, называемых угольными пластами, почти полностью используется для производства электроэнергии и является наиболее продуктивным материалом для этого. Поскольку уголь в изобилии и относительно дешев, мир использует его тонны, но он также является худшим виновником выбросов CO.₂ выбросы, высвобождая примерно на 30% больше CO₂ чем при сжигании нефти и почти вдвое больше, чем при сжигании природного газа при выработке эквивалентного количества тепла. 6

США относятся к углю так же, как Саудовская Аравия к нефти, обладая 22% мировых запасов угля и большей частью, чем любая другая страна. Китай, тем не менее, стал крупнейшим в мире потребителем угля — более половина угля, сожженного в мире в 2011 году, было сожжено в Китае. 7

Когда вы слышите, как люди говорят о нефти, они имеют в виду сырую нефть, также называемую нефтью, — липкую черную жидкость, обычно находящуюся в глубоких подземных резервуарах. Когда сырая нефть добывается, она направляется на нефтеперерабатывающий завод, где разделяется, используя разные температуры кипения, на ряд различных видов топлива и газов, наиболее заметным из которых является бензин (около 45% каждого барреля), но включая все, начиная от реактивных и заканчивая бензином. дизельное топливо, моторное масло, пропан, который вы используете для гриля, и свечной воск. В большинстве стран мира нефть используется в качестве топлива для транспорта, а не для выработки электроэнергии.

Соединенные Штаты, безусловно, являются крупнейшим потребителем нефти в мире, потребляя более 20% мировой нефти и примерно вдвое превосходя следующего по величине потребителя. США также являются одним из трех крупнейших производителей нефти в мире, наряду с Саудовской Аравией и Россией, которые производят примерно одинаковое количество нефти. Но вряд ли у США больше всего запасов нефти — это все на Ближнем Востоке:

Глядя на эту карту, становятся ясными 8 три вещи:

1) Почему у саудовских принцев такие причудливые дворцы
2) Почему Саддам Хусейн так сильно хотел украсть Кувейт
3) Почему в Дубае есть такие вещи, как крытый горнолыжный курорт, несколько сотен искусственных островов и самое высокое здание в мире.

В целом на Ближнем Востоке находится более 60% оставшихся мировых запасов нефти.

Еще одна интересная вещь — когда я посмотрел на изображение 9 настоящего масла, поля, меня поразило, насколько маленькой частью земли они были.Например, Иран почти полностью лишен нефти, но этого небольшого количества запасов на дальнем западе страны достаточно, чтобы сделать его второй богатейшей нефтяной страной в мире:

Мы говорили об обычной нефти, но в Канаде и Венесуэле есть также большие запасы «нефтеносных песков» — горных пород или шлама, содержащих нефть. Добывать эту нефть дорого и неудобно, но если/когда обычная нефть начнет иссякать, мир, скорее всего, воспользуется этими дополнительными запасами.

Природный газ по существу представляет собой газообразный метан, находящийся в карманах под землей или иногда залегающий в сланцевой породе. Это газ, который топит вашу плиту или обогревает вашу квартиру (если они не работают на электричестве), а также является одним из основных источников электроэнергии (он составляет около 20% электроэнергии в США). Природный газ находится на подъеме и в настоящее время составляет почти четверть мировой энергии.

Одна из причин, по которой он растет, заключается в том, что ученые нашли новый способ извлечения природного газа из Земли, называемый гидравлическим разрывом пласта или «фрекингом», при котором используется смесь воды, песка и химикатов для создания трещин в природном газе. богатые сланцы и вытеснить газ. Этот метод был чрезвычайно эффективным, но он также вызывает споры из-за некоторых серьезных экологических проблем — это видео хорошо объясняет это.

Ископаемое топливо содержит в себе останки захороненных организмов всей истории Земли, и, в отличие от возобновляемых источников энергии, как только они исчезают, они исчезают навсегда (новые ископаемые виды топлива появляются так медленно, что их не считают «возобновляемым» ресурсом).

Так сколько осталось?

По данным Управления энергетической информации США, вот оставшиеся доказанные запасы трех ископаемых видов топлива 10 :

• Каменный уголь: 905 миллиардов метрических тонн, что равняется 4 416 миллиардам баррелей. (702,1 км 3 ) нефтяного эквивалента
• Масло:3740 миллиардов баррелей (595 км 3 ) – эта цифра включает всю дополнительную нефть в канадских и венесуэльских нефтеносных песках.
• Природный газ: 181 трлн кубометров – что равно 1,161 млрд баррелей (184,6 км 3 ) нефтяного эквивалента

Сложив все это вместе, объем нефти и нефтяного эквивалента, который представляет собой общее количество, оставшееся от всех трех ископаемых видов топлива, составляет 1481 км 3 . Получится куб со стороной 11,3 км или 7 миль.— он покроет большую часть Бруклина и будет содержать все ископаемое топливо, оставшееся на Земле. Используя тот же метод «нефтяного эквивалента», каждый год мировое потребление ископаемого топлива составляет куб со стороной около 2,4 км или 1,5 мили— это прекрасно вписалось бы в центр Манхэттена.

В какой-то момент я подробнее расскажу о концепции оставшихся у нас ископаемых видов топлива и о том, сколько их у нас осталось. Но ключевой момент заключается в том, что этих 7-мильных кубов нашего оставшегося ископаемого топлива хватит примерно на 80 лет, если мы будем использовать такое же количество каждый год в будущем, как мы используем сегодня. Пряный.

Наконец, вот отличное наглядное изображение 11, на котором показаны все источники энергии, которые мы только что обсудили, и их использование в США в 2012 г. («четверка» — это квадриллион БТЕ — годовое потребление энергии в США, составляющее 95,1 квадрацикла, составляет немногим менее пятой части всего мира). Интересно посмотреть, сколько произведенной энергии в конечном итоге будет потрачено впустую:

Источники