История перехода к возобновляемым источникам энергии в Исландии: пример для всего мира?

В эпоху, когда изменения, связанные с потеплением климата, заставляют многие страны мира внедрять устойчивые энергетические решения, ситуация Исландии представляется уникальной. На сегодняшний день почти 100 процентов электроэнергии, потребляемой этой небольшой страной с населением 330 тысяч человек, вырабатывается благодаря возобновляемым источникам. Кроме того, девять из десяти домов отапливаются за счет геотермальной энергии. История отказа Исландии от ископаемых видов топлива может вдохновить другие страны, желающие увеличить долю возобновляемых источников энергии в общей структуре энергопотребления. Является ли опыт Исландии уникальным и неповторимым, или весь мир может последовать её примеру?

 

Особенности энергетического сектора Исландии

Исландию часто называют «страной огня и льда». Именно этим сочетанием геологических характеристик и северного географического положения объясняется изобилие возобновляемых источников энергии, которым располагает эта страна. Остров расположен на Срединно-Атлантическом хребте между Североамериканской и Евразийской тектоническими плитами — в зоне исключительно высокой вулканической активности; энергия этой зоны используется в исландских геотермальных системах. 11% территории страны покрыто ледниками. Сезонное таяние льдов пополняет водные ресурсы рек ледникового происхождения, берущих начало в горах и впадающих в моря, — именно они составляют основу исландских гидроэнергетических ресурсов. Кроме того, страна располагает огромным ветроэнергетическим потенциалом, который практически не используется в настоящее время. 

На сегодняшний день экономика Исландии удовлетворяет свои энергетические нужды — от отопления и электроснабжения частных домов до потребностей энергоемких отраслей промышленности — главным образом за счет «зеленой» энергии, вырабатываемой благодаря гидроэнергетическим и геотермальным источникам. Единственное исключение составляет транспортный сектор, работающий на ископаемых видах топлива.

Помимо электроснабжения и централизованного отопления геотермальной энергии в Исландии находят и другое применение. Она широко используется для растапливания снега на тротуарах, обогрева плавательных бассейнов, энергоснабжения рыбоводческих хозяйств, обслуживания парниковых комплексов и пищевой промышленности, а также для энергообеспечения производства косметики — например, широко известной продукции знаменитого исландского геотермального спа Blue Lagoon.

 

Переход Исландии от угля и нефти к возобновляемым источникам энергии

Сегодня Исландия являет собой яркий пример использования возобновляемой энергии в современной экономике, однако так было не всегда. Использование геотермальных ресурсов веками ограничивалось стиркой и купанием, а выработка гидроэлектроэнергии началась только в ХХ веке, причем мощность гидроэлектростанций ограничивалась несколькими мегаваттами. Фактически до начала 1970-х годов бóльшая часть энергопотребления страны обеспечивалась импортируемыми ископаемыми видами топлива.

Несмотря на очевидные преимущества устойчивой энергетики, страна перешла к ней не из осознания важности использования возобновляемых источников для борьбы с изменением климата. Причина перехода проста: Исландия не смогла справиться с колебаниями цен на нефть, обусловленными целым рядом кризисов, один за другим поражавших мировой энергетический рынок. Расположенная у самого Полярного круга, географически изолированная страна нуждалась в стабильном и экономически рентабельном энергетическом ресурсе.

Первые нелегкие шаги на пути развития возобновляемой энергетики — на базе как геотермальных источников, так и гидроресурсов — были сделаны исландскими предпринимателями. В начале ХХ века некий фермер придумал способ использования постоянно сочащейся из земли горячей воды, соорудив примитивную геотермальную отопительную систему для обогрева своей фермы. Органы местного самоуправления переняли его инициативу и постепенно были развернуты систематические разведочные работы по поиску геотермальных источников. Технологии бурения, заимствованные из нефтедобывающей отрасли, позволили добираться до более горячих глубинных водных пластов, а значит — обеспечивать отоплением большее количество домов. Тогда стали разрабатываться более крупные проекты — началась реализация геотермальных систем центрального отопления в коммерческом масштабе. Подобно геотермальным, первые гидроэнергетические проекты были осуществлены фермерами, которые стремились к рациональному ведению хозяйства и либо искали возможности обеспечить электроснабжение собственных домов, либо объединяли усилия для электрификации сразу нескольких ферм. В 1950 году в Исландии было построено 530 таких гидроэлектростанций — появилась целая сеть независимых энергетических систем, разбросанных по всей стране.

В целях поощрения дальнейшего использования энергии геотермальных источников правительство Исландии учредило в конце 1960-х годов фонд, предусматривающий снижение финансовых рисков при финансировании геотермального бурения. Фонд предоставлял ссуды на разведку геотермальных ресурсов и поисковое бурение, покрывая потери в том случае, если проекты терпели неудачу. Кроме того, создание правовой базы позволило сделать новую геотермальную систему центрального отопления более привлекательной, чем дальнейшее использование ископаемых видов топлива.

В то же время Исландия обратилась к крупномасштабной выработке гидроэлектроэнергии, что привлекло внимание крупных промышленных потребителей электроэнергии во всем мире. Идея заключалась в привлечении в Исландию новых видов предприятий в целях диверсификации экономики страны, создания новых рабочих мест и формирования общенациональной энергетической системы.

Совокупность всех этих мер и создала ту Исландию, которую мы видим сегодня.

 

Исландские преобразования — уникальный случай?

История исландской энергетики является примером осуществления радикальных изменений в течение короткого периода времени. В связи с этим возникает вопрос: можно ли считать опыт Исландии неповторимым, принимая во внимание её уникальное географическое положение, обеспечивающее изобилие возобновляемых источников энергии?

В целом структура энергопотребления и характер спроса в стране представляют довольно сложную совокупность факторов. Такие из них, как цена, наличие ресурсов, эффективность производства и политическая конъюнктура  играют важную роль. Доступность возобновляемых источников энергии, будь то ветер, солнце, геотермальные или водные ресурсы, может способствовать их более эффективному использованию. Однако их наличие вовсе не гарантирует перехода к «зеленой» энергетике.

В этом отношении ситуация в Исландии абсолютно уникальна. Консенсус между органами местного самоуправления, правительством и общественностью в вопросе о необходимости поиска и разработки «зеленых» источников энергии был обусловлен стоимостью энергии и запросом на энергетическую безопасность. И хотя Исландия 1970-х была маленьким мирным государством, препятствий на этом пути хватало и успех вовсе не был гарантирован. В то время страна восстанавливалась после столетий бедности и иностранного правления, страдая от отсутствия базовой инфраструктуры и недостатка знаний о потенциале своих ресурсов и опыта в реализации крупных энергетических проектов. До 1970‑х годов Программа развития Организации Объединенных Наций квалифицировала Исландию как развивающуюся страну. Кроме того, организации, призванные обеспечить крайне необходимое финансирование, в Исландии только возникали и еще не накопили необходимого опыта. Плотность населения страны была и остается столь низкой, что формирование объединенной энергосистемы является очень дорогостоящей задачей.

С теми же проблемами сталкиваются сегодня многие страны, встающие на путь устойчивого развития энергетики. К примеру, Непалу при реализации планов по использованию части неосвоенных гидроэнергетических ресурсов страны предстоит решить ряд проблем в инвестиционной и энергетической сфере. Страны таких регионов, как Восточная Африка, страдают от дефицита технических ноу-хау, необходимых для оценки и эксплуатации их богатых геотермальных ресурсов. И хотя положение этих стран значительно отличается от ситуации Исландии, исландский опыт в большой степени можно экстраполировать на другие страны и использовать там.

 

Уроки, извлеченные из опыта

Из накопленного Исландией опыта можно вычленить следующие рекомендации нынешним и будущим деятелям «новой энергетики», касающиеся преодоления барьеров при переходе к возобновляемым источникам энергии:

• На начальных этапах перехода необходимо добиться консенсуса и сотрудничества между органами местного самоуправления, правительством и общественностью. В Исландии благодаря этому диалогу установилась доверительная и конструктивная атмосфера, необходимая для преодоления вышеупомянутых барьеров.
• Ключом к успеху является расширение прав и возможностей местных общин и вовлечение в процесс широких слоев населения. Уровень взаимодействия местных органов самоуправления с предпринимателями-новаторами и перенятые у них методы позволили претворить в жизнь и доказать ценность как геотермальной, так и гидроэнергетической концепции.
• Позитивная нормативно-правовая база, а также политика стимулирования и благоприятствования, проводимая государством, ускоряет процессы перехода. Исландский фонд финансовых рисков при бурении ускорил темпы перехода за счет снижения уровня риска местных органов самоуправления при реализации геотермальных проектов.
• Очень важно долгосрочное планирование развития возобновляемой энергетики — так же, как и в случае с развитием промышленности. На дальнейших этапах развития энергетики Исландии встал вопрос о том, какая часть природных ресурсов страны подлежит использованию в рамках энергетических проектов. В связи было начато создание генерального плана с участием всех заинтересованных сторон.
• Большое влияние может оказать демонстрация каждого шага на пути к успеху. Общественность принимает участие лишь в понятных и желанных переходных процессах. В Исландии те населенные пункты, в которых было обеспечено бесперебойное использование горячих геотермальных вод, стали образцами, на которые ориентируются остальные. Кроме того, политики часто прибегают к демонстрации фотографий столичной зоны в формате «до и после» — для привлечения внимания избирателей к тому обстоятельству, что результатом использования геотермальных ресурсов вместо ископаемых видов топлива стал более чистый воздух.

 

Какой вклад может внести Исландия?

Опыт Исландии представляет большую ценность для лиц, ответственных за выработку политики, однако в первую очередь страна прилагает усилия к распространению накопленных знаний о технических аспектах развития геотермальной энергетики.

Вот уже не первый десяток лет Исландия предоставляет техническую помощь в геотермальной отрасли и занимается просвещением в сфере использования возобновляемых источников энергии. С 1979 года свыше 1000 специалистов из разных стран мира прошли в Исландии курсы геотермальной энергетики — по соответствующим учебным программам Организации Объединенных Наций, а также в таких высших учебных заведениях, как Исландская школа энергетики при Рейкьявикском университете. Энергетический сектор Исландии участвовал в геотермальных проектах более чем в 50 странах — и по-прежнему демонстрирует высокую активность во всем мире. В качестве примера такого участия можно привести проект строительства крупнейшей в мире геотермальной системы центрального отопления в Китае, обслуживающей свыше миллиона потребителей.

Интересный факт, характеризующий будущее геотермальной энергетики, заключается в том, что современная вулканическая активность ни в коей мере не является условием успешного прямого использования геотермальной энергии. Благодаря технологическим инновациям для отопления и охлаждения помещений могут использоваться широко представленные низкотемпературные геотермальные зоны. К примеру, мало кто знает, что одна из крупнейших в Европе геотермальных систем центрального отопления сооружена в Париже. Согласно некоторым подсчетам, в одной только Европе около 25% населения живет в местностях, подходящих для внедрения геотермальных систем центрального отопления. Исландские ноу-хау и опыт Исландии могут оказать неоценимую помощь при оценке осуществимости этих и других проектов такого рода и их реализации.

 

Поучительный пример для остального мира

В энергетическом секторе Исландии оправдал себя переход на геотермальные и гидроэнергетические ресурсы, что же касается других регионов, выбор наиболее эффективных возобновляемых источников энергии и оптимальных способов их эксплуатации будет определяться местными условиями. Ведь, поскольку каждая страна уникальна, переход на новые источники энергии будет везде проходить по-разному. То есть исландский опыт такого перехода — это скорее показательная история успеха, нежели «универсальный образец для подражания». Исландия в первую очередь является наглядным примером того, что может быть достигнуто — примером, включающим в себя множество уроков, полезных для любой страны, которая планирует такого рода преобразования.

Кроме того, опыт Исландии может послужить напоминанием о том, что не только богатые развитые страны имеют возможность преодолеть стоимостные и внутренние барьеры при переходе к «зеленой» энергетике. Возможно, там, где энергетические системы еще не полностью реализованы и у заинтересованных сторон больше стимулов к изменению статус-кво, внедрение новых энергетических решений проходит даже легче.

Положительный момент заключается в том, что мир никогда еще не был в состоянии большей готовности к грядущим переменам. Постоянно появляются новые, все более совершенные технологии, так же как и более рациональные схемы финансирования. Сотрудничество и обмен ноу-хау между разными странами мира становится все легче и занимает все меньше времени. Сочетание всех этих факторов с уроками, извлеченными из опыта прошлого, в том числе и из опыта Исландии, обеспечит всем странам действенный инструментарий в переходе на более устойчивый путь развития.

И наконец, ясно, что для перехода к другой энергетической модели все страны мира — как богатые, так и бедные — нуждаются в сильном руководстве на всех уровнях. Руководителям потребуются поучительные примеры, вдохновляющие людей на действия. Исландия, всегда готовая поделиться своими знаниями и опытом, с гордостью возьмет на себя эту роль, продолжая учиться сама и с энтузиазмом внося свой вклад в наше общее устойчивое будущее.

 

Список литературы

Björnsson, Sveinbjörn, ed. (2010). Geothermal Development and Research in Iceland. Reykjavík: Orkustofnun. С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: http://www.nea.is/media/utgafa/GD_loka.pdf.

Dumas, Philippe, and Angelina Bartosik (2014). Geothermal DH Potential in Europe. GEODH. С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: http://geodh.eu/wp-content/uploads/2014/11/GeoDH-Report-D-2.2-final.pdf.

The Icelandic International Development Agency (ICEIDA). The Geothermal Exploration Project, 2013 — 2017. С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: http://www.iceida.is/iceida-projects/nr/1488. Данные на веб-сайте от 29 октября 2015.

Landsvirkjun. “Áfangar í sögu okkar” (Moments in History). С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте:  http://www.landsvirkjun.is/fyrirtaekid/saga. Данные на веб-сайте от 29 октября 2015.

Lee, Henry, and Halla H. Logadóttir (2012). Iceland’s Energy Policy: Finding the Right Path Forward. Cambridge, Mass.: John F. Kennedy School of Government, Harvard University.

Logadóttir, Halla, and Samuel N. Perkin (2015). An interdisciplinary approach to geothermal energy education: the case of Iceland School of Energy at Reykjavík University. Proceedings of the World Geothermal Congress. Melbourne, Australia, 19-25 April. С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: https://pangea.stanford.edu/ERE/db/WGC/papers/WGC/2015/09003.pdf.

Orkustofnun, the National Energy Authority. Jarðvarmanotkun” (Geothermal Energy Utilization). С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: http://www.orkustofnun.is/jardhiti/jardvarmanotkun/. Данные на веб-сайте от 29 октября 2015.  

Sigurðsson, Helgi M. (2002). Vatnsaflsvirkjanir á Íslandi. Reykjavík, Verkfræðistofa Sigurðar Thoroddsen.

United Nations University. Geothermal Training Programme (UNU-GTP).  С публикацией можно ознакомиться на веб-сайте: http://www.unugtp.is/en/organization/about-the-unu-gtp. Данные на веб-сайте от 29 октября 2015.

Þórðarson, Sveinn (1998). Auður úr iðrum jarðar: Saga hitaveitna og jarðhitanýtingar á Íslandi (Wealth from the bowels of the Earth: The Story of District Heating and Geothermal Energy in Iceland). Reykjavík, Hið íslenska bókmenntafélag.

Альтернативные источники энергии: виды и использование

В течение всего периода развития цивилизации происходила борьба за обретение новых, более эффективных форм энергии. За тысячи лет был пройден путь от овладения огня до применения управляемой ядерной реакции в атомных электростанциях. Поэтому в истории человечества принято выделять несколько энергетических революций, которые заключались в переходе от одного доминирующего первичного источника энергии к другому. Результаты этих изменений затрагивали не только сферу энергетики и экономики, но и меняли социальный и культурный облик цивилизации.

В настоящее время Мировая энергетика находится на перепутье. С увеличением народонаселения Земли экономика требует все больше энергии, а запасы ископаемого топлива, на котором основана традиционная энергетика, не безграничны. Рост стоимости ископаемого топлива усугубляется и тем, что достигшее колоссальных размеров использование углеводородов наносит ощутимый вред окружающей среде, что отражается на качестве жизни населения. А это означает, что в будущем потребности в энергии, а значит и в новых способах её получения, будут только увеличиваться. На смену эре углеводородов (нефти и газа), придет эра использования альтернативной, чистой энергии.

Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к АИЭ:

Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

Политический: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы.

Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, а на традиционную — постоянно растут.

Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, – всё это увеличивает социальную напряженность.

Эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

Именно с нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) связывают будущее энергетики. Усилиями мировой науки было обнаружено множество таких источников, большинство из них уже используется более или менее широко. В настоящее время общий вклад ВИЭ в мировой энергобаланс пока невелик, около 20 % конечного потребления энергии. При этом на долю биотоплива и гидроэнергии, используемых традиционными способами, приходится основная часть – около 17 %, на долю нетрадиционных ВИЭ всего около 3 %.

Наиболее известны  и частично применяются следующие виды энергии:

— энергия Солнца;
— энергия ветра;
— биоэнергетика;
— энергия приливов и волн;
— тепловая энергия Земли.
— энергия атмосферного электричества и грозовая энергетика.

Из всех существующих видов альтернативной энергетики самыми востребованными являются солнечная, ветро- и гидроэнергетика.

Энергия солнца

Всевозможные гелиоустановки используют солнечное излучение как альтернативный источник энергии. Излучение Солнца можно использовать как для нужд теплоснабжения, так и для получения электричества.

Существуют разные способы преобразования солнечного излучения в тепловую и электроэнергию и, соответственно, различные типы солнечных электростанций. Наиболее распространены станции, использующие фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), объединенные в солнечные батареи.

Солнечные электростанции активно используются более чем в 80 странах мира. Большинство крупнейших фотоэлектрических установок мира находятся в США.

К преимуществам солнечной энергии можно отнести возобновляемость данного источника энергии, бесшумность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу при переработке солнечного излучения в другие виды энергии.

Недостатками в использовании солнечной энергии являются дороговизна оборудования, зависимость интенсивности солнечного излучения от суточного и сезонного ритма, а также, необходимость больших площадей для строительства солнечных электростанций. Также серьёзной экологической проблемой является использование при изготовлении фотоэлектрических элементов для гелиосистем ядовитых и токсичных веществ, что создаёт проблему их утилизации.

Энергия ветра

Одним из перспективнейших источников энергии является ветер. Принцип работы ветрогенератора элементарен. Сила ветра, используется для того, чтобы привести в движение ветряное колесо. Это вращение в свою очередь передаётся ротору электрического генератора.

Ветроэнергетические установки (ветряные электростанции) широко используются в США, Китае, Индии, а также в некоторых западноевропейских странах (например в Дании, где 25% всей электроэнергии добывают именно таким способом). Ветроэнергетика является весьма перспективным источником альтернативной энергии, в настоящее время многие страны значительно расширяют использование электростанций данного типа.

Преимуществом ветряного генератора является, прежде всего, то, что в ветряных местах, ветер можно считать неисчерпаемым источником энергии. Кроме того, ветрогенераторы, производя энергию, не загрязняют атмосферу вредными выбросами.

К недостаткам устройств по производству ветряной энергии можно отнести непостоянство силы ветра и малую мощность единичного ветрогенератора. Также ветрогенераторы известны тем, что производят много шума (вследствие чего их стараются строить вдали от мест проживания людей), мешают перелетам птиц  и насекомых, а также создают помехи в прохождении радиоволн  и работе военных.

Биоэнергетика

Биоэнергетика позволяет из биотоплива разного вида получать энергию и тепло. Биоэнергетика сейчас находится в стадии активного развития. Крупные промышленные и сельскохозяйственные предприятия активно переходят на биотопливо, что дает им получать электроэнергию и тепло из органического мусора.

К альтернативным источникам энергии относятся не все виды биотоплива: традиционные дрова тоже являются биотопливом, но не являются альтернативным источником энергии. Альтернативное биотопливо бывает твердым (отходы деревообработки и сельского хозяйства), жидким (биодизель и биомазут, а также метанол, этанол, бутанол) и газообразное (водород, метан, биогаз).

Основными преимуществами является утилизация органического мусора, снижение уровня загрязнения окружающей среды. Биотопливо изготавливается из различного сырья, такого как навоз, отходы сельскохозяйственных культур и растений, выращенных специально для топлива. Это возобновляемые ресурсы, которые, вероятно, не закончатся в ближайшее время. Биотопливо снижает выбросы парниковых газов. Кроме того, при выращивании культур для биотоплива они частично поглощают оксид углерода, что делает систему использования биотоплива ещё более устойчивой.

Биотопливо довольно легко транспортировать, оно обладает стабильностью и довольно большой «энергоплотностью», его можно использовать с незначительными модификациями существующих технологий и инфраструктуры.

К недостаткам применения биотоплива относятся:

— ограничения региональной пригодности (в некоторых местностях просто невозможно выращивать биотопливные культуры, например, в местности с холодным или засушливым климатом).

— водопользование – чем меньше воды используется для выращивания сельскохозяйственной культуры, тем лучше, так как вода является ограниченным ресурсом.

— продовольственная безопасность (слишком активное выращивание биотоплива может привести к голоду). Проблема с выращиванием сельскохозяйственных культур для топлива заключается в том, что они займут землю, которую можно было бы использовать для выращивания продуктов питания.

— разрушение среды обитания животных и риск изменения окружающей среды, вследствие применения удобрений и пестицидов при выращивании биотопливных культур (чаще всего это монокультуры для удобства выращивания).

Энергия приливов и волн

Мировой океан аккумулирует энергию в разных видах: энергию биомассы, энергию приливов и отливов, энергию океанических течений, тепловую энергию и др. Проблема заключается в том, чтобы найти экономически и экологически приемлемые способы ее использования. По прогнозным оценкам доступная часть энергии Мирового океана во много раз превышает уровень потребления всех энергетических ресурсов в мире.

По оценкам Ocean Energy Systems, к 2050 г. с помощью подобных технологий можно будет вырабатывать 300 ГВт – это столько же, сколько бы производили 250 ядерных реакторов. А UK Carbon Trust прогнозирует, что к тому времени уже возникнет всемирный рынок приливной энергии стоимостью 126 млрд фунтов стерлингов.

В Японии протестировали устройство, которое генерирует электроэнергию из океанических течений. Испытание установки было проведено на юго-западе префектуры Кагошима. Течения у Кагошимы постоянны по силе и направлению. Турбина экспериментального генератора была установлена на уровне 20-50 м под поверхностью воды. Генератор развил мощность производства электроэнергии всего 30 кВт. Конечно, это немного, но главное – изобретение работает. Ученые полагают, что такой метод генерации электричества может быть более стабильным, чем солнечная энергетика. Организация по разработке новых энергетических и промышленных технологий NEDO надеется внедрить эту технологию в промышленное использование к 2020 г.

В США извлекают энергию из волн.

Исследователи Технологического института Джорджии разработали устройство, преобразующее в электричество энергию волн океана очень широкого диапазона частот. Энергия волн океана — самая слаборазвитая отрасль чистой энергетики. Хотя океан потенциально способен обеспечить энергией весь мир, пока что не существует экономически выгодного способа ее извлечения. Основная проблема в том, что океанские волны непостоянны и колеблются с низкой частотой, тогда как большинство генерирующих устройств лучше всего работают с постоянной амплитудой и высокой частотой.

В прошлом году в проливе Пентленд-Ферт на северном побережье Шотландии началась первая фаза строительства крупнейшей в мире приливной электростанции MeyGen, итоговая мощность которой может достичь 398 МВт. Станция способна обеспечить электричеством 175 тыс. домохозяйств. Возобновляемая энергия приливов стала одним из важнейших направлений новой энергетики, развиваемой в Шотландии. Шотландские приливы, одни из самых мощных в Европе, помогут развить эту многообещающую технологию и сократить выбросы углекислого газа. Шотландия планирует полностью (на 100%) перейти на возобновляемую электроэнергию уже в 2030 г. Достигнутый в 2016 г. уровень составил около 60%.

Аналогичные технологии применяются уже и в Северной Америке – на побережье Новой Шотландии. Эта провинция на северо-востоке Канады действительно напоминает Шотландию — и не в последнюю очередь благодаря высоким приливам.

В ноябре прошлого года там, в заливе Фанди начал работу первый в Северной Америке приливной электрогенератор. Он занимает пять этажей и весит тысячу тонн, его мощность – 2 МВт, что достаточно для питания 500 домов.

В области разработки новейших решений для использования энергии приливов лидирует Великобритания. Этому способствует идеальная схема приливов и благоприятная регулятивная среда. Канада, Китай и Южная Корея также демонстрируют устойчивый прогресс. США также являются одним из основных центров инноваций в данной сфере.

Основные плюсы – высокая экологичность и низкая себестоимость получения энергии.

К главным минусам приливных электростанций относятся высокая стоимость их строительства и суточные изменения мощности, из-за которых электростанции этого типа целесообразно использовать только в составе энергосистем, использующих также и другие источники энергии.

Тепловая энергия Земли

Огромное количество тепловой энергии хранится в глубинах Земли. Это обусловлено тем, что температура ядра Земли чрезвычайно высока. В некоторых местах земного шара происходит прямой выход высокотемпературной магмы на поверхность Земли: вулканические области, горячие источники воды или пара. Энергию этих геотермальных источников и предлагают использовать в качестве альтернативного источника сторонники геотермальной энергетики. Используют геотермальные источники по-разному. Одни источники служат для теплоснабжения, другие – для получения электричества из тепловой энергии.

Для разработки этого источника энергии используются геотермальные электростанции, использующие энергию высокотемпературных грунтовых вод, а также вулканов. На данный момент более распространенной является гидротермальная энергетика, использующая энергию горячих подземных источников. Гидротермальная энергетика, основанная на использовании «сухого» тепла земных недр, на данный момент развита слабо; основной проблемой считается низкая рентабельность данного способа получения энергии.

К преимуществам геотермальных источников энергии можно отнести неисчерпаемость и независимость от времени суток и времени года.

К негативным сторонам можно отнести тот факт, что термальные воды сильно минерализованы, а зачастую ещё и насыщены токсичными соединениями. Это делает невозможным сброс отработанных термальных вод в поверхностные водоёмы. Поэтому отработанную воду необходимо закачивать обратно в подземный водоносный горизонт. Кроме того, некоторые учёные-сейсмологи выступают против любого вмешательства в глубокие слои Земли, утверждая, что это может спровоцировать землетрясения.

Атмосферное электричество и грозовая энергетика

Атмосферное электричество может стать еще одним существенным источником экологически чистой энергии. В нижних слоях атмосферы Земли идут интенсивные процессы испарения, переноса тепла и влаги, образования облаков, сопровождающиеся явлениями электризации. В результате, у поверхности Земли напряженность электростатического поля достигает 100…150 В/м летом и до 300 В/м зимой, значительно изменяясь от погодных условий. В атмосфере постоянно висит положительный объемный заряд величиной около 0,57 млн. кулонов. Энергетический ресурс заряженной атмосферы оценивается величиной около 107 ГВт, что не менее чем в 250 раз превышает потребности человеческой цивилизации в энергии.

Вопросы формирования электрической энергии в атмосфере и использования электричества, сформированного естественным путем, тревожили умы многих ученых на протяжении столетий. Все началось со знаменитого опыта Бенджамина Франклина в июне 1752 года, когда он поднял воздушного змея перед грозовым облаком, и экспериментально доказал, что грозовые явления имеют электрическую природу. В 1850–1860-х годах получили патенты на изобретения в области атмосферного электричества Лумис и Уард в США, во Франции. Среди тех, кто мечтал завоевать и использовать атмосферное электричество в качестве практически неиссякаемого источника энергии был и знаменитый изобретатель Никола Тесла, предложивший способ преобразования высокого постоянного напряжения атмосферы в низкое переменное. В Финляндии Герман Плаусон провел эксперименты с аэростатами, изготовленными из тонких листов магниево-алюминиевого сплава, покрытого очень острыми, изготовленными электролитическим способом иглами. На свои устройства он в 1920-х годах получил патенты США, Великобритании и Германии.

К сожалению все предложенные грандиозные устройства так и не получили широкого практического применения ввиду их громоздкости, непрактичности, опасности, а самое главное, нестабильности снимаемой мощности, которая целиком зависит от «электрической погоды» в атмосфере. Но ни смотря, ни на что, интерес к исследованиям атмосферного электричества не угас, и в самые недавние годы достигнуты значительные успехи.

Новые исследования, проведенные учеными из университета Кампинаса в Бразилии, позволили по-новому взглянуть на задачу получения энергии из атмосферного электричества. В результате этих исследований ученые точно определили, каким именно образом происходит процесс формирования и момент высвобождения электричества из капелек влаги скопившейся в воздухе, как создаются электрические заряды в атмосфере, как они распространяются и каким образом они могут быть преобразованы в электрический ток, пригодный для использования.

В качестве преимуществ атмосферных электростанций отмечаются следующие факторы:

— атмосферная электростанция способна вырабатывать энергию постоянно и не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей;

— в случае открытия способа хранения и создания суперконденсатора атмосферного электричества, он будет постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии – солнца и радиоактивных элементов земной коры;

— электроразрядное оборудование атмосферных станций не бросается в глаза. Оно находятся в верхних слоях атмосферы, слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом.

Недостатки:

— атмосферное электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать. Его необходимо либо использовать сразу же, на месте получения, либо преобразовывать в любую другую форму, например в водород;

— значительная разрядка земельно-ионосферного суперконденсатора может нарушить баланс глобального электрического контура. В этом случае последствия для окружающей среды будут непредсказуемы;

— высокое напряжение в системах атмосферных электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала;

— электроразрядное оборудование необходимого размера сложно обслуживать и поддерживать на необходимой высоте. Кроме того, они могут представлять опасность для авиации.

Грозовая энергетика – это пока лишь теоретическое направление. Молния – это сложный электрический процесс. Для того, чтобы «поймать» и удержать энергию молнии, нужно использовать мощные и дорогостоящие конденсаторы, а также разнообразные колебательные системы. Пока еще грозовая энергетика неоконченный и не совсем сформированный проект, хотя и достаточно перспективный. Его привлекательность состоит в возможности постоянно восстанавливать ресурсы.

Вспышки молний на поверхности Земли происходят практически одновременно в самых разных местах планеты. Специалисты NASA, работая со спутником «Миссия измерения тропических штормов», проводят исследования грозовой активности в разных уголках нашей планеты. Ими собраны данные о частоте происхождения молний и создана соответствующая карта. Были установлены определенные регионы, в которых на протяжении года возникает до 70 ударов молнии на квадратный километр площади, и где в перспективе экономически целесообразно использовать данный вид энергии.

Сейчас ученые всего мира изучают этот сложный процесс и разрабатывают планы и проекты по устранению сопутствующих проблем. Возможно, со временем человечество сможет укротить «строптивую» энергию молнии и перерабатывать ее в ближайшем будущем.

Список литературы

1. Боровский, Ю.В. Современные проблемы мировой энергетики / Ю.В. Боровский, М.: Навона, 2011 г. – 232 с.
2. Дегтярев, К.С. К вопросу об экономике возобновляющихся источников энергии / К.С. Дегтярев, А.М. Залиханов, А.А. Соловьев, Д.А. Соловьев // Энергия. Экономика. Техника. Экология. – 2016. – № 10. – С. 10–21.
3. Довгалюк, Ю.А. О прогнозе развития конвективных облаков и связанных с ними опасных явлений с помощью модели малой размерности / Ю.А. Довгалюк, Н.Е. Веремей, А.А. Синькевич., А.К. Слепухина // Вопросы физики облаков. Сборник статей памяти С.М. Шметера. М: ГУ «НИЦ» Планета, 2008. – 167 с.
4. Кузнецов, Д.А. Возможности развития современной грозовой энергетики / Д.А. Кузнецов // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 4-6.
5. Огарков, А.И. Большая эффективность малой энергетики / А.И. Огарков // АПК: экономика, управление. – 2007. – № 6. – С. 2–6.
6. Суслов, Н.И. Возобновляемые источники энергии в стране, где много традиционных ресурсов: еще о России / Н. И. Суслов // ЭКО. – 2014. – № 3. – С. 69–87.

Картинки взяты с сайта по ссылке.

---

Король Раиса Александровна

© Раиса Король, научный сотрудник лаборатории моделирования и минимизации антропогенных рисков

e-mail: [email protected]

Альтернативные и возобновляемые источники энергии и системы энергообеспечения в сельском хозяйстве

ХАРАКТЕРИСТИКА НАПРАВЛЕНИЯ

Целью научного направления является развитие энергетической базы и систем энергообеспечения сельского хозяйства, обеспечение надежного и устойчивого энергообеспечения сельских потребителей при снижении энергоемкости производства, создание комфортных социально-бытовых условий жизни на селе.

Для достижения поставленной цели сотрудниками подразделений решаются следующие задачи:

— обеспечение экономичного, надежного, устойчивого и безопасного энергоснабжения сельских объектов при снижении аварийных отключений и перерывов в энергоснабжении села в 2-3 раза, повышение уровня безопасной эксплуатации энергетического оборудования (до 50%) и качества электроэнергии;

— разработка перспективных направлений, стратегии развития и создания электрических сетей нового поколения, удовлетворяющих современным условиям распределения электроэнергии сельским потребителям, включая инженерные системы в быту, ЛПХ и фермерских хозяйствах, обеспечивающих экономико-экологические требования;

—  разработка новых способов передачи электроэнергии (включая резонансные) сельским потребителям, снижающих затраты на передачу и потери энергии;

— снижение зависимости от централизованного энергоснабжения ряда сельских потребителей посредством самообеспечения энергией на базе собственных и нетрадиционных энергоресурсов с выработкой энергии на местах в соответствии с ресурсами регионов;

— разработка и реализация децентрализованных систем электро- и теплообеспечения  и средств малой энергетики с широким использованием электроэнергии, местных и возобновляемых энергоресурсов, отходов сельхозпроизводства;

— разработка и внедрение энергосберегающей интеллектуальной системы теплообеспечения и создания микроклимата в сельхозпомещениях с применением утилизации низкопотенциальной теплоты, геотермальной энергии, термоэлектричества, направленной  на  создание  оптимальных  условий  среды  обитания  животных  и  птицы, позволяющих в максимальной степени реализовать их генетический потенциал и обеспечить максимальную продуктивность при значительном снижении энергоемкости производства.

— разработка и освоение технологий получения биотоплива посредством переработки биомассы, растительных и древесных отходов, отходов животноводства в жидкое, газообразное и твердое топливо, а также получение качественных органических удобрений.

— освоение технологий и средств повышения эффективности и широкого использования возобновляемых источников энергии(ВИЭ) в сельской энергетике, снижающих их стоимость и повышающих КПД.

 

Перечень выполняемых работ

Разработка энергетической стратегии развития систем и средств энергообеспечения сельских объектов на период до 2030 года.

Разработка интеллектуальных систем и технических средств энерго- и теплообеспечения, электробезопасности и эксплуатационного контроля технического состояния электрооборудования и построения распределительных систем электроснабжения сельских потребителей.

Разработка «умных сетей», включающих в себя комплексы из централизованных сетей и распределенных автономных источников электроснабжения на базе альтернативных источников электроснабжения.

Разработка энергосберегающего вентиляционно-отопительного оборудования с утилизацией теплоты, озонированием и глубокой рециркуляции внутреннего воздуха для обеспечения требуемого микроклимата и экологии в производственных сельскохозяйственных помещениях, включая оборудование для содержания и электрообогрева молодняка животных, устройств дистанционного контроля за их состоянием.

Разработка аккумуляционных электротепловых установок для горячего водо- и парообеспечения и нагрева воздуха, адаптированных для работы по многотарифному учету электроэнергии.

Разработка резонансных методов и систем передачи электрической энергии.

Исследование научно-технических принципов и разработка конструкционных основ преобразования солнечной энергии в теплофотоэлектрических и термодинамических системах в энергию потребительских форматов (электрическую и тепловую).

Новые технологии и конструкции  кровельных солнечных (черепиц) для крыш жилых и производственных зданий с возможностью их полного или частичного энергообеспечения.

Исследование и разработка автоматизированной многомодульной теплофотоэлектрической энергосистемы.

Технологии и установки анаэробного сбраживания в биореакторах с предварительной обработкой органических отходов и системы управления процессом их анаэробной биоконверсии.

Разработка интеллектуальной ветроэнергетической установки для работы в условиях регионов с низким ветровым потенциалом

Разработка интеллектуальной автономной установки экстракции пресной воды из атмосферного воздуха для южных районов (в частности Крыма).

Построение интеллектуальной микросети автономного энергообеспечения сельских объектов с разработкой когенерационной микрогазотурбинной установки малой мощности и системы ее дистанционного управления.

В результате проведенных научных исследований только за последние годы разработаны исходные и технические требования, технические задания на 25 электроустановок для различных процессов сельскохозяйственного производства. По 18 разработкам изготовлены действующие образцы; 8 установок успешно прошли государственные приемочные испытания и рекомендованы к производству; ряд оборудования доведен до серийного производства; большинство электроустановок включено в «Проект системы машин и технологий для комплексной механизации и автоматизации сельскохозяйственного производства на период до 2020 года».

Разработанное по данному направлению электрооборудование неоднократно экспонировалось на различных выставках. Награждено медалями и дипломами.

Структура направления 

Отдел электрификации и энергообеспечения АПК

1. Лаборатория электро- и энергообеспечения и электробезопасности

2. Лаборатория электротеплообеспечения и энергосбережения

 

Отдел возобновляемых источников энергии

3. Лаборатория солнечной энергетики

4. Лаборатория энергетического оборудования на возобновляемых источниках энергии

5. Лаборатория технологических систем применения возобновляемых и альтернативных источников энергии

6. Лаборатория биоэнергетических технологий

 

Ключевые публикации

1. Д.С. Стребков. Физические основы солнечной энергетики /Под ред. д.т.н. Безруких П.П. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: ФГБНУ ВИЭСХ, 2017.– 192 с.

2. Yuferev, L.; Sokolov, A. Energy-Efficient Lighting System for Greenhouse Plants // In: Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development / Ed. by Kharchenko V., Vasant P. IGI Global, 2018 pp. 204-229. DOI: 10.4018/978-1-5225-3867-7.ch009 SCOPUS

3. Leonid Yuferev (Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Russia). The Resonant Power Transmission System. Source Title: Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development. Copyright: 2018 Pages 534-560. DOI: 10.4018/978-1-5225-3867-7.ch022

4. Yu.D. Arbuzov, V.M. Evdokimov, V.A. Majorov, L.D. Saginov, O. Shepovalova. Optimization of design parameters and the light intensity of the semiconductor solar cells internal losses in systems with concentrated radiation. 44 National Solar Conference, April 1, 2015. Energy Procedja 74(2015) 1543-1550. Web of Science

5. Alexei V. Kuzmichyov, Vladimir V. Malyshev, Dmitry A. Tikhomirov. Efficiency of the combined pasteurization of milk using UV and IR irradiation. Журнал Light & Engineering. Volume 19, Number 1, 2011, pp. 74–78.

6. Кузьмичёв А.В., Лямцов А.К., Тихомиров Д.А. Теплоэнергетические показатели ИК облучателей для молодняка животных // Светотехника. 2015. № 3. С. 57-58.

7. Тихомиров Д.А. Энергоэффективные электрические средства и системы теплообеспечения технологических процессов в животноводстве // Вестник ВНИИМЖ.-Вып.4(24). — 2016 г. — с.15-23.

8. Тихомиров Д.А., Тихомиров А.В. Совершенствование и модернизация систем и средств энергообеспечения — важнейшее направление решения задач повышения энергоэффективности сельхозпроизводства // Техника и оборудование для села. 2017. № 11. С. 32-36.

9. Strebkov, D. S. Concentrator Photovoltaic Modules Integrated in Tile [Text] / D. S. Strebkov, O. V. Shepovalova // AIP Conf. Proc. – 2017. – Vol. 1814, 020076. – Technologies and Materials for Renewable Energy, Environment and Sustainability: TMREES16 fall Meeting Conference. Paris, France, 16-18 November 2016. DOI: 10.1063/1.4976295

10. Dr. Olga Shepovalova, dr. Anatoly V. Tikhomirov, dr. Catherine K. Markelova, Viktoria Yu. Ukhanova. Estimation of Solar power systems implementation potential for rural settlements of Russia / 29^th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition Rae Convention   Exhibition Center Amsterdam The Netherlands, 22-26 September. 2014

11.Strebkov D.S., Nekrasov A.I., Nekrasov A.A. Maintenance of Power Equipment System Based on the Methods of Diagnosis and Control of Technical Condition // Handbook of Research on Renewable Ener-gy and Electric Resourcesfor Sustainable Rural Development / ed. by V. Kharchenko, P. Vasant. — USA, PA, Hershey: IGI Global, 2018. — P. 421–448. — ISBN 9781522538677. — DOI: 10.4018/978-1-5225-3867-7.ch018. — URL: https://www.igi-global.com/gateway/chapter/full-text-pdf/201348

12. Strebkov D.S., Nekrasov A.I., Trubnikov V. Single-Wire Resonant Electric Power Systems for Renewable-Based Electric Grid // Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resourcesfor Sustainable Rural Development / ed. by V. Kharchenko, P. Vasant. — USA, PA, Hershey: IGI Global, 2018. — P. 449–474. — ISBN 9781522538677. — DOI: 10.4018/978-1-5225-3867-7.ch019. — URL: https://www.igi-global.com/gateway/chapter/201348? accesstype= complimentarycopy

13. Y.D. Arbuzov, V.M. Evdokimov, V.A. Majorov, L.D. Saginov, O.V. Shepovalova «Ultimate Open-Circuit Voltage of the Silicon Solar Cells» Proceedings of 29th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exibition. pp. 933 -938. DOI:10.4229/EUPVSEC2014 2014-2AV.2.56 ISBN:3-936338-34-5. SCOPUS

14. Valeriy Kharchenko, Vladimir Panchenko, Pavel V. Tikhonov, Pandian Vasant. Cogenerative PV Thermal Modules of Different Design for Autonomous Heat and Electricity Supply // Handbook of Re-search on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development, pages 86 – 119, DOI: 10.4018/978-1-5225-3867-7.ch004 SCOPUS.

15. Arbuzov, Y. D. Ultimate efficiency of Cascade Solar Cells Based on Homogeneous Tunnel-Junction Structures in CPV Systems [Text] / Y. D. Arbuzov, V. M. Evdokimov, O. V. Shepovalova // AIP Conf. Proc. – 2017. – Vol. 1814, 020075. DOI: 10.1063/1.4976294 Web of Science, SCOPUS.

16. Influence of cationic polyacrilamide flocculant on high-solids anaerobic digestion of sewage sludge under thermophilic conditions. Yuri Litti , Anna Nikitina, Dmitriy Kovalev, Artem Ermoshin, Rishi Mahajan , Gunjan Goel & Alla Nozhevnikova Environmental Technology. Pages 1-10 | Received 22 Aug 2017, Accepted 08 Dec 2017, Accepted author version posted online: 14 Dec 2017, Published online: 28 Dec 2017

17. Особенности моделирования процессов передачи тепла и массы и масштабный переход в реакторах производства биогаза. Г.Е. Сахметова, А.М. Бренер, В.В. Дильман, О.С. Балабеков, Д.А. Ковалев. Reports of the national cademy of sciences of the republic of kazakhstan issn 2224-5227 Volume 3, Number 313 (2017), 34 –40

18. Химия биомассы: биотоплива и биопластики / А. Р. Аблаев, В. И. Быков, С. Д. Варфоломеев и др. — Научный мир Москва, 2017. — С. 790

19. Methane production by anaerobic digestion of organic waste from vegetable processing facilities. M. A. Gladchenko, D. A. Kovalev, A. A. Kovalev, Yu. V. Litti and A. N. Nozhevnikova. Applied Biochemistry and Microbiology, 2017 Vol. 53 No 2 pp. 242-249.

20. Effect of cavitational disintegration of surplus activated sludge on methane generation in the process of anaerobic conversion. M. A. Gladchenko, S. D. Razumovskii, D. A. Kovalev, V. P. Murygina, E. G. Raevskaya and S. D. Varfolomeev. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2016, Vol. 10, No. 3, pp. 496–503.

21. Study of the process of hydraulic mixing in anaerobic digester of biogas plant. Karaeva J.V., Khalitova G.R., Trakhunova I.A., Kovalev D.A. Inzynieria Chemiczna i Procesowa. 2015. Т. 36. № 1. С. 101-112.

22. Dorzhiev S. S., Bazarova E. G., Morenko K. S. The Features of the Work of Wind-Receiving Devices on Different Speeds of the Wind Flow // Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development / ed. by V. Kharchenko, P. Vasant. — USA, PA, Hershey: IGI Global, 2018. — P. 383–393. — ISBN 9781522538677. — DOI: 10.4018/978- 1- 5225- 3867- 7.ch016.

23. Gusarov V.A. Rer-based microgrid forenvironmentally friendly energy supply in agriculture / Adomavichus V.B., Kharchenko V.V., Vilackas I.Y., Gusarov V.A. // Conference Proceeding. 5th International Conference TAE 2013. Trends in Agricultural Engineering 3 – 5 September, 2013. — Praga, Czech Republic. — С. 51 — 55.

24.Gusarov V.A. Investigation of experimental flat pv thermal module parametres in natural conditions / Kharchenko V.V., Nikitin B.A., Gusarov V.A., Tihonov P.V. // Conference Proceeding. 5th International Conference TAE 2013. Trends in Agricultural Engineering 3 – 5 September, 2013. — Praga, Czech Republic. — С. 309 — 313.

25. Тихомиров А.В., Свентицкий И.И., Маркелова Е.К., Уханова В.Ю. Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2030 года. — М.: ФГБНУ ВИЭСХ, 2015.-76 с.

виды, значение, преимущества и недостатки — Природа Мира

Время чтения 5 мин.Просмотры 1.9k.Обновлено 2021-05-26

Альтернативные, или нетрадиционные источники энергии – это ресурсы природы, которые можно использовать для получения электричества. Сюда относятся солнце, ветер, и даже энергия земли, биомасс, сточных вод и отходов. По прогнозам, с помощью биогенного горючего можно получать до 49% электроэнергии, а также 16-22% – от энергии ветра и воды.

Читайте также: Возобновляемые источники энергии

Виды, преимущества и недостатки разных альтернативных источников энергии

У каждого типа нетрадиционной энергетики есть свои плюсы и минусы, а также особенности организации процесса для получения электричества.

Солнечная энергия

Преобразование энергии солнца происходит с помощью особых технологий. Сложность обработки солнечной энергии выступает в качестве недостатка этого источника:

• излучение имеет низкую плотность и непостоянно, поэтому существующие технологии имеют ряд ограничений;
• в некоторых странах из-за низкого уровня солнечного излучения реализовать методику нецелесообразно.

Среди преимуществ можно выделить абсолютную экологическую безопасность солнечной энергии и отсутствие вмешательства в геологию Земли.

На солнечной энергии работают космические станции и спутники. Широкое распространение получили солнечные панели в некоторых странах – ими оснащают крыши домов.

Геотермальная энергетика

Геотермальный метод получения энергии построен на принципе преобразования тепла мантии и ядра Земли (чаще всего источником служат пароводяные резервы). Преобразование природного пара – процесс трудоемкий, так как требуется строительство труб и турбин, проводящих его с глубины от 2-3 км. Однако стоимость электроэнергии на выходе получается не слишком высокой.

Недостаток метода – вероятность оседания грунта и повышения сейсмической активности, поэтому в опасных районах этот источник альтернативной энергии неприменим.

Ветровая энергетика

Для реализации метода требуется ветряная электростанция. Одно из преимуществ такого источника энергии – это дешевое оснащение. Но недостаток – сильная зависимость от погодных условий, требуется постоянный контроль состояния. А еще ветровые электростанции могут создавать помехи для радиоволн.

Важно! Обширное использование ветряных электростанций может стать причиной недостаточной вентиляции промышленных районов, что приведет к ухудшению экологической обстановки.

Также для ветряных станций требуются большие площади, поэтому реализация в густонаселенных регионах затруднена. Однако ветряные источники энергии используются в некоторых странах Европы и Америки для снабжения небольших поселений.

Волновая энергетика

В этом способе для получения электричества используется энергия волн. В отличие от альтернативных источников, описанных выше, волновая энергия отличается большей ударной мощностью. Это самый многообещающий способ получения энергии в перспективе освоения океанов.

Важно! Все виды естественной энергии – ветер, солнце, волны – относятся к возобновляемым источникам.

Самый яркий пример традиционного использования волновой энергии – гидроэлектростанции, но он не единственный. Целесообразно строительство волновых станций в районах с мощными приливами (колебание больше 4 м).

Среди недостатков можно выделить небольшую мощность, строительство только возле побережья, а также цикличность работы – всего 2 раза в сутки. Экологическая безопасность такого способа получения энергии под вопросом, ведь станции нарушают баланс соленой и пресной воды, что несет угрозу морской жизни.

Новейшая технология получения энергии волновым путем – аэро ГЭС. Они работают по принципу конденсации влаги из атмосферы, однако до внедрения этой технологии в жизнь еще далеко.

Градиент-температурная энергетика

В основе этого метода лежит баланс температур. Для строительства станций требуется морское побережье. Поглощая до 70% солнечной энергии, мировой океан становится отличным источником температурных ресурсов. Однако нагрев и выделение углекислой кислоты при обработке морской воды нарушают экологическую обстановку. Среди преимуществ можно выделить только то, что ресурс крайне обширен.

Биомассовая энергетика

Под этим понятием скрывается процесс гниения биологических отходов и ресурсов – в результате выделяется биологический газ с большим содержанием метана. Его можно использовать для обогрева помещений и выработки электричества.

Больше всего такой источник энергии используется в сельскохозяйственных предприятиях. Это безотходное производство, так как гниющие продукты потом используются для удобрения. Кроме растений и навоза, можно использовать быстрорастущие водоросли.

Главный недостаток теплового источника – КПД не превышает 6% и для обеспечения нужд мегаполиса энергией такой метод не подойдет.

Энергия молнии

Один из самых новых альтернативных методов получения электричества – сбор энергии молний, попадающих в землю. Пока что проект находится на стадии разработки – установки для улавливания молнии еще не готовы.

Это дорогостоящий, но окупающийся метод, ведь 1 молния способна обеспечить целый район крупного города энергией на некоторое время. Но уже сейчас можно выделить главный недостаток – зависимость от частоты гроз.

Роль и значение альтернативной энергетики

Поиск альтернативных источников энергии – одна из самых актуальных задач, так как человечество чудовищными темпами поглощает газ, нефть и другие виды топлива, чтобы производить энергию. Научная «мечта» – получение альтернативы электричеству, но она пока что недостижима. Кризис топливных ресурсов неизбежен, и нетрадиционные источники энергии должны помочь предотвратить его.

Альтернативные источники энергии в России

В России в разных регионах интегрируется практическое использования следующих альтернативных источников энергии:

• Солнечная энергия. Самая большая трудность – это законодательное и финансовое обеспечение станций, собирающих солнечную энергию. Наибольший потенциал такого способа получения энергии сосредоточен в южных регионах, а также на севере – в Якутии и Магаданской области.
• Гидроэнергетика. ГЭС после АЭС занимают 2 место по способам производства электроэнергии, и перспективы у этого метода достаточно большие.
• Геотермальная энергетика. Геотермальные ресурсы России в 10 раз богаче, чем залежи нереализованного угля. Самый перспективный край – Камчатка, где на глубине чуть больше 3 км заложен пар температурой 200 градусов. Большим потенциалом также обладает Кавказ и Краснодарский край.
• Биогаз. Активно развивающаяся отрасль энергетики, востребованная в России. Есть даже предприятия, которые начали производство установок.
• Приливная энергетика. Наиболее перспективны города, расположенные на побережье.
• Ветроэнергетика. На территории России ветрогенные установки используются со времен СССР: на территории Калининграда, в заполярье, Башкортостане и Чувашии. Потенциал у этого метода в РФ обширен, поэтому ветроэнергетика активно развивается.

Альтернативные источники энергии – один из вопросов сохранения окружающей среды и ресурсов планеты, который изучается тысячами специалистов. Каждый день ищутся новые решения и разрабатываются методы для получения энергии из ветра, солнца, воды. Но сфера изучена недостаточно и многие задачи только предстоит решить.

Гугломаг

Спрашивай! Не стесняйся!

Задать вопрос

Мне нравится1Не нравится

Не все нашли? Используйте поиск по сайту

что это такое, виды, конкретные примеры

Зачем нужны альтернативные источники энергии

Когда исчерпаемые источники энергии (ископаемые топлива) закончатся, человечеству придется перейти на АИЭ (альтернативные источники энергии). По данным на 2017 год 35% вырабатываемой в России электроэнергии добыты безуглеродным способом — на АЭС и ГЭС.

Использовать традиционные источники энергии проблематично по следующим причинам:

• ТЭС использует топливо, которое закончится в ближайшем будущем. По худшим оценкам это произойдет через 30 лет;
• Стоимость ископаемого топлива растет, поэтому поднимается цена на электроэнергию;
• Продукты производства электроэнергии загрязняют окружающую среду;
• Тепло, выделяемое на станциях, вызывает глобальное потепление.

У человечества один путь — переход на АИЭ.

Основные виды

Виды альтернативных источников добычи энергии не ограничиваются солнечным светом и ветром.

Вода

• Первый тип — приливная станция. Принцип действия основан на следующем: напор воды заставляет лопасти вращаться и приводить в действие генератор. Несмотря на высокие капитальные затраты на строительство комплексов, низкие затраты на обеспечение работы делают технологию выгодной и привлекательной.
• Второй тип — волновая электростанция. Станции не только получают электроэнергию, но и гасят волны, спасая порты от разрушений. Однако ВЭС нарушают естественную экосистему водоемов, что может привести к вымиранию целых видов рыб.

Основная проблема ГЭС – существенное негативное влияние на экологию.

Тепло земли

Еще одно направление альтернативной энергетики — производство электроэнергии из тепла земной коры. Этот способ безопасен: он использует практически неисчерпаемый ресурс. Вопреки заблуждениям геотермальные станции не влияют на остывание земного ядра.

В этой отрасли выделяют гидротермальную (водная) энергетику и петротермальную (горная).

Главное достоинство этого способа добычи — независимость от времени года, суток.

У геотермальной энергетики есть свои недостатки. Необходимо бурить глубокие скважины (для достижения геотермического градиента в 30°C нужно достигнуть глубины в километр). Этот способ также может косвенно влиять на экологию: использованная для добычи вода содержит соли тяжелых металлов.

Биотопливо

Биотопливо — это топливо из животного или растительного сырья. Главное отличие от ископаемого — большая экологичность. Делится по агрегатному состоянию на газообразное, жидкое и твердое. Для создания биотоплива используются дерево, солома, а также синтетические вещества. Например, биодизель.

Для производства биотоплива берут три поколения растений:

• Первое поколение. Это сельскохозяйственные культуры, содержащие большое количество жиров и крахмала. Недостаток этого поколения в увеличении площади используемых земель и повышении цен на продукты, так как пищевые культуры применяются все шире;
• Второе поколение. Это древесина, трава и остатки растений, непригодные для питания. Подобное сырье просто перерабатывать, но оно занимает большие пространства и плохо воспроизводится;
• Третье поколение. К этому виду относятся водоросли. Они быстро воспроизводятся и содержат большую долю биомассы, при этом занимают небольшую площадь.

Сейчас чаще встречается первое поколение, хотя второе исследуется для внедрения.

Ядерная энергетика

Для выработки электричества этим способом используют ядерную энергию (обычно вызывают цепную реакцию урана-235 или плутония-239). Работа атомных электростанций характеризуется экологичностью (при условии безаварийной работы) и дешевой выработкой энергии. Мощность при этом можно наращивать долго.

Многие страны с большой плотностью населения сворачивают работу АЭС в связи с долгосрочным заражением и отравлением территорий в случае аварий. Италия полностью отказалась от ядерной энергетики, а Бельгия, Германия и Испания начали длительную политику по постепенному отказу от АЭС.

Другими проблемами этого вида добычи являются стоимость утилизации отработанного материала и тепловое загрязнение, при котором выброс тепла сказывается на ускорении глобального потепления.

Ветер

Источник энергии — ветер — можно преобразовать двумя способами: генераторами с вертикальной осью вращения ротора (строение сооружения проще, но КПД обычно не превышает 10%) и горизонтальной (КПД выше, достигает 30-40%).

Ветрогенераторы во время работы шумят из-за воздействия ветра на лопасти установки, поэтому обычно их ставят в отдалении от жилых домой. Расстояние должно быть как минимум 300 метров. Под самими конструкциями при этом можно свободно продолжать пахотные работы.

Ветроэнергетика сейчас показывает наибольшие перспективы и потенциал для развития. Например, преимущество ветряных станций заключается в вариативности размещения: строительство осуществляется не только на береговой линии, но и в море.

Солнце

Солнечную энергию получают одним из двух типов конструкций. Первый тип — гелиоконцентраторы. Суть их работы в концентрировании солнечных лучей системой стекол на воде, из-за чего та нагревается. Недостаток таких сооружений в сложности их конструкции.

Второй тип — фотоэлементы. Их применяют чаще из-за более низкой цены, простого строения и обслуживания. Фотоэлементы лидируют на рынке, но коэффициент полезного действия не превышает 20%.

Энергия Солнца наиболее эффективно может добываться в Саудовской Аравии и Египте, в остальных регионах вырабатываемого электричества недостаточно для полного перехода на солнечные станции.

Прочие варианты

Существуют и другие виды альтернативной энергетики:

• Мускульная энергетика;
• Криоэнергетика;
• Гравитационная энергетика;
• Вулканическая энергетика.

Но у этих способов тоже есть свои недостатки: так, последний АИЭ локален.

Состояние альтернативной энергетики в России

По сравнению со странами ЕЭС, Россия отстает во внедрении альтернативной энергетики. Разработки СССР были заброшены в 90-е годы из-за распада страны. Новые исследования получают недостаточное практическое применение. Развитие альтернативной энергетики в России сдерживается относительной доступностью традиционного топлива.

Немаловажную роль играет сложность в финансировании разработки и строительства новых объектов, когда можно получать энергию на действующих электростанциях. Дорогой кредит также сдерживает инвестиции в новые проекты. Сказывается и нехватка кадров с опытом работы в этой сфере. Несмотря на проблемы российской альтернативной энергетики, ее доля в энергобалансе страны увеличивается. В перспективе энергия ветра может обеспечивать до 10% энергопотребления страны.

Альтернативные источники энергии для частного дома.

Использование солнечной энергии

Один из самых мощных альтернативных источников энергии для дома — солнечное излучение. Для преобразования солнечной энергии есть два типа установок:

Не стоит думать что работают установки только не юге и только летом. Хорошо они работают и зимой. В ясную погоду при выпавшем снеге выработка энергии только немного ниже летней. Если в вашем регионе большое количество ясных дней, использовать подобную технологию можно.

Солнечные батареи

Солнечные батареи собирают из фотоэлектрических преобразователей, которые изготавливают на базе минералов, которые под действием солнечного света испускают электроны — вырабатывают электрический ток. Для частного применения используются кремниевые фотопреобразователи. По своей структуре они бывают монокристаллическими (сделаны из одного кристалла) и поликристаллическими (много кристаллов). Монокристаллические имеют более высокий КПД (13-25% в зависимости от качества)  и более продолжительный срок службы, но стоят дороже. Поликристаллические вырабатывают меньше электроэнергии (9-15%) и быстрее выходят из строя, но имеют более низкую цену.

Это поликристаллический фотопреобразователь. Обращаться с ними надо аккуратно — они очень хрупкие (монокристаллические тоже, но не в такой степени)

Сборка солнечной батареи своими руками несложна. Сначала надо приобрести некоторое количество кремниевых фотоэлементов (количество зависит от требуемой мощности). Чаще всего их покупают на китайских торговых площадках типа АлиЭкспресс. Затем порядок действий прост:

Несколько слов о том, почему подложку для солнечной панели (батареи) надо красить в белый цвет. Рабочий диапазон температур кремниевых пластин от — 40°C до +50°C. Работа при более высоких или низких температурах приводит к быстрому выходу элементов из строя. На крыше, летом, в закрытом объеме, температура может быть намного выше +50°C. Потому и необходим белый цвет — чтобы не перегреть кремний.

Солнечные коллекторы

При помощи солнечных коллекторов можно нагревать воду или воздух. Куда направлять нагретую солнцем воду — в краны для горячего водоснабжения или в систему отопления — выбираете вы сами. Только отопление будет низкотемпературным — для теплого пола, то что требуется. Но для того, чтобы температура в доме не зависела от погоды, систему требуется сделать резервируемой, чтобы при необходимости подключался другой источник тепла или котел переходил на другой источник энергии.

Наиболее распространенные трубчатые солнечные коллекторы

Солнечные коллекторы есть трех видов: плоские, трубчатые и воздушные. Наиболее распространенные — трубчатые, но и другие тоже имеют право на существование.

Плоские пластиковые

Две панели — черная и прозрачная — соединены в один корпус. Между ними расположен медный трубопровод в виде змейки. От солнца нижняя темная панель нагревается. от нее греется медь, а от нее — проходящая по лабиринту вода. Такой способ использования альтернативных источников энергии не самый эффективный, но привлекателен тем, что он очень прост в исполнении. Таким образом можно нагревать воду в бассейне. Надо будет только зациклить ее подачу (при помощи циркуляционного насоса). Точно также можно подогревать воду в емкости для летнего душа или использовать ее для бытовых нужд. Недостаток подобных установок — низкая эффективность и производительность. Чтобы нагреть большой объем воды, нужно или много времени, или большое количество плоских коллекторов.

Плоский солнечный коллектор

Трубчатые коллекторы

Это стеклянные трубки — вакуумные или коаксиальные — по которым протекает вода. Специальная система позволяет по максимуму концентрировать в трубках тепло, которое передается протекающей через них воде.

Трубчатые коллекторы могут быть вакуумными и перьевыми

В системе обязательно есть накопительная емкость, в которой вода и греется. Циркуляция воды в системе обеспечивается насосом. Такие системы самостоятельно не сделать — стеклянные трубки сделать своими руками проблематично и это — главный недостаток. Вместе с высокой ценой он сдерживает широкое внедрение этого источника энергии для дома. А сама система очень эффективна, на «ура» справляется с нагревом воды для ГВС и вносит приличный вклад в отопление.

Схема организации отопления и ГВС за счет альтернативных источников энергии — с использованием солнечных коллекторов

Воздушные коллекторы

В нашей стране они встречаются очень редко и зря. Они просты, их легко можно сделать своими руками. Единственный минус — требуется большая площадь: могут занимать всю южную (восточную, юго-восточную) стену. Система очень похожа на плоские коллекторы — черная нижняя панель, прозрачная верхняя, но греют они напрямую воздух, который принудительно (вентилятором) или естественным путем направляется в помещение. Несмотря на кажущуюся несерьезность, таким способом можно на протяжении светового дня греть небольшие помещения, в том числе и технические или подсобные: гаражи, дачи, сараи для живности.

Устройство возушного коллектора

Такой альтернативный источник энергии как солнце, дарит нам свое тепло, но большая его часть уходит «в никуда». Словить небольшую ее долю и использовать для личных нужд — вот задача, которую решают все эти приспособления.

Ветряная энергия

Установка домашнего ветряка — тоже интересное, но пока что дорогое решение для большинства домовладельцев. Зато такая система менее зависима от погоды и числа солнечных дней — ветряки работают постоянно, меняя лишь крутящий момент.

Виды ветряных генераторов

По типу крепления ротора существуют модификации:

• Горизонтальные – отличаются минимальным количеством материалов для изготовления и большим КПД. Минусы прибора заключаются в высокой монтажной мачте и сложности механической части.
• Вертикальные – работают в большом диапазоне ветровой скорости. Специфика генератора – необходимость дополнительной фиксации мотора.

По количеству лопастей существуют одно- или многолопастные модели. По материалу лопасти классифицируются на парусные и жесткие. Винтовой шаг установки бывает изменяемым (можно выставить рабочую скорость) и фиксируемым.

При строительстве ветровой установки обязательно создается и укрепляется фундамент.

Конструкция ветрогенератора

Конструкция ветрогенератора

Готовый ветряной генератор состоит из таких частей:

• вышка – ставится в ветреной зоне;
• лопастный генератор;
• контроллер лопастей – преобразует переменный ток в постоянный;
• инвертор – трансформирует постоянный ток в переменный;
• накопительный аккумулятор;
• резервуар для воды.

Накопительная АКБ сглаживает разницу в сезон ветров и период штиля.

Изготовление тихоходного ветрогенератора из генератора машины

Создание ветрогенератора из автомобильного генератора

Поскольку комплект для сборки ветрогенератора стоит от 250 до 300 тыс. руб, конструкцию целесообразно сделать собственноручно. Понадобится генератор автомобиля и аккумуляторная батарея.

Лопасти обеспечивают работу других устройств ветряка. Самостоятельно их можно изготовить из ткани, металла или пластиковой трубы следующим образом:

1. Выбрать материал с хорошей ветроустойчивостью – толщиной от 4 см.
2. Рассчитать длину лопасти так, что диаметр трубы равнялся 1/5.
3. Обрезать трубу и применять ее в качестве шаблонов.
4. Пройтись по краям всех элементов наждачкой для удаления неровностей.
5. Зафиксировать пластиковые лопасти на диске из алюминия.
6. Произвести балансировку колеса посредством фиксирования в горизонтальном положении.
7. Обточить края ветрового колеса при вращении.

Оптимальная схема лопастей – большое количество, но меньший размер.

Мачта должна быть надежной, прочной и не раскачиваться

Проект изготовления мачты нужно начать с выбора материала. Понадобится стальная труба длиной 7 м и диаметром 150-200 м. При наличии препятствий колесо поднимается выше их на 1 м.

Для дополнительной устойчивости конструкции изготавливаются колышки под растяжку из стального или оцинкованного троса 6-8 мм в толщину. Мачту и колышки нужно забетонировать.

Процесс переделки автогенератора заключается в перемотке старторного узла и создании ротора на основе неодимовых магнитов. В приборе просверливаются отверстия под них. Магниты нужно ставить, чередуя полюса и заполнять пустоты эпоксидкой.

Ротор оборачивается бумагой для перемотки катушки в одном направлении по трехфазной схеме. На последнем этапе генератор тестируется – при 300 оборотах должно показывать 30 В.

Чем больше витков на катушке, тем эффективнее работает генератор.

Альтернативные ветровые источники тепла и электрической энергии собираются после изготовления поворотной оси. Понадобится труба с двумя подшипниками и хвостовая часть из оцинкованного листа 1,2 мм в толщину.

Генератор крепится к мачте посредством рамы их профтрубы. Расстояние от балки до лопастей должно быть больше 25 см. После сборки базовой конструкции монтируются контроллер заряда, инвертор и АКБ.

Рекуператор и рекуперация тепла

Рекуператор — это специальное устройство, устанавливаемое в систему вентиляции, главная функция которого — возвращать исходящий из дома теплый воздух обратно в дом.

На рынке представлено множество моделей и типов рекуператоров. Стоят они относительно недорого. Для лучшего эффекта, рекомендуется выбирать устройства с максимальным КПД (свыше 90%) и потреблением не более 0,35 Вт мощности на 1 м3 воздуха.

Тепловые насосы

Тепловой насос – это ещё один вариант установки для организации отопления и ГВС в частном доме. Только здесь используется не солнечная энергия, а тепло от земли, воды и воздуха. В основу положен принцип холодильника, при котором тепло отбирается у какой-то среды и передаётся в систему отопления.

Принцип действия теплового насоса

В зависимости от среды, у которой отбирается тепло, и куда оно передаётся, различают тепловые насосы:

• Вода-вода;
• Воздух-воздух;
• Воздух-вода;
• Грунт-вода.

Вне зависимости от среды, с которой идёт работы, в установках подобного типа присутствуют: компрессор, теплообменник, испаритель.

Вода-вода

Тепловые насосы типа «вода-вода» отбирают тепло у воды из грунтовых вод и передают его воде, циркулирующей в системе отопления и ГВС частного дома. Коллектор для сбора тепла укладывается в водоёме (он не должен промерзать целиком) рядом с домом или под него бурятся скважины. Скважины бурятся на глубину около 15 метров.

Тепловой насос вода-вода

Воздух-воздух

Это наиболее доступный вариант среди всех тепловых насосов. Конструкция таких установок похожа на сплит-систему. Электричество в насосах воздух-воздух расходуется на отбор тепла из окружающей среды и перекачка его в дом. Современные модели таких насосов могут работать при сильных морозах, хотя при этом падает их эффективность.

Тепловой насос воздух-воздух

Один киловатт электроэнергии в таких системах превращается примерно в 5 кВт тепла.

Воздух-вода

Тепловые насосы по схеме воздух-вода довольно широко распространены в частных домах и производственных помещениях. Внешний блок этой установки забирает тепло из окружающей среды и с его помощью нагревает воду. Подобные конструкции получили широкое распространение благодаря доступной цене и простому монтажу.

Тепловой насос воздух-вода

Однако есть и отрицательные моменты. В российском климате их не получиться использовать зимой. Высокий КПД тепловых насосов воздух-вода сохраняется при температуре 7─15 С. В зоне отрицательных температур эффективность сильно падает.

Грунт-вода

Эта разновидность тепловых насосов является самой универсальной и наиболее дорогостоящей. Зато подобные системы можно реализовать практически в любой климатической зоне, где есть непромерзающий слой грунта на доступной глубине.

Тепловой насос грунт-вода

Коллектор с циркулирующим в нём теплоносителем укладывается в непромерзающий слой земли. В этом слое температура круглый год держится примерно 7─10 С. Расположение коллектора может быть горизонтальным или вертикальным. В любом случае здесь большие затраты на проведение монтажных работ. Это выливается в значительные финансовые траты. Так, что здесь нужно заранее просчитать окупаемость такой установки и все резоны. Кроме того, под укладку коллектора требуется свободное пространство рядом с домом, а это не всегда возможно.

Биогазовые установки

Органическая альтернативная электроэнергия добывается с помощью биогазовых систем. Устройства позволяют перерабатывать отходы домашней птицы и животных. Получивший газ проходит очищение и сушку, а затем применяется в качестве теплоносителя. Остаточные массы будут эффективным и безопасным удобрением для грунта.

Биогазовая система для частного дома

Простейшая биогазовая установка

Простейший биореактор – емкость с крышкой и механизмом перемешивания. В крышке проделывается отверстие для шланга отвода газа. Его количества будет достаточно для 1-2 горелок.

Подземный или надземный бункер увеличивает полезный объем. Конструкция под землей изготавливается из железобетона с верхним слоем теплоизоляции. Емкость делится на отсеки. Навоз загружают в транспортер, заполняя бункер на 80-85 %. Остальная площадь используется для скопления газа. Он выводится через специальную трубку, второй конец которой находится в гидрозатворе. После осушения очищенный газ поступает в дом.

Альтернативные виды добычи тепловых ресурсов и электроэнергии в настоящее время недоступны жителям квартир. Их могут использовать жители частных домов и фермерские хозяйства. Единственный недостаток возобновляемых источников – затраты на обустройство системы, но финансовые вложения окупаются через 1-2 года эксплуатации.

Принцип технологии

Газы образуются при брожении биологических отходов животных и птиц. Оптимальной будет анаэробная среда без доступа кислорода. В ней повышается активность мезофильные и термофильные бактерии. Для эффективности процесса массу понадобится перемешивать рукой, используя палку или механическими мешалками. В идеальных условиях в 1 л закрытой емкости, нагретой до температуры +50 градусов, получается от 4 до 4,5 л газа.

Энергия из биотоплива

Ещё один вариант использования альтернативных источников энергии – это биогазовые установки. Они предназначены для переработки пищевых отходов, а также результатов жизнедеятельности скота и птицы. На выходе получаем биогаз, который может использоваться по прямому назначению или сжигаться в газогенераторе для выработки электроэнергии. В частных домах многие держат скотину. Поэтому недостатка в сырье не будет.

Установка для получения биогаза

Навоз, пищевые отходы нагреваются с ёмкости, представляющей водяную баню. Бактерии в навозе (мезофильные и термофильные) способствуют брожению. Навоз может перерабатываться сам по себе, а может использоваться в качестве добавки. Важное требование к установке заключается в том, чтобы брожение шло без доступа кислорода (анаэробная среда).

Для активизации процесса делается подогрев (около 40 С) и перемешивание. Перемешивание может осуществляться как электрической мешалкой, так и вручную. Выработка в идеальных условиях работы составляет: с 4─5 литров навоза получается 1 литр газа.

В крышке ёмкости имеется вывод для газа, который проходит через коллектор (осушается), и далее используется по назначению. Он может подаваться как на горелки, так и газогенератор или какие-нибудь механические двигатели для совершения работы.

В промышленных масштабах получение биогаза выполняется в подземный железобетонных бункерах. Пространство до грунта прокладывают теплоизоляцией. Сама ёмкость может быть поделена на несколько частей, где образование газа идёт со смещением во времени. Процесс полной переработки в таких установках продолжается от 3 до 30 дней.

В установке также есть люк для выгрузки отработанного сырья. Загрузка выполняется примерно на 15─20 процентов.

Самодельные гидроэлектростанции

Да, есть и такие умельцы, которые самостоятельно делают миниатюрные гидроэлектростанции. Для этого нужна речка рядом с частным домом. Причём тем лучше, чем течение в речке сильнее. В основу маленькой гидроэлектростанции ложится водяное колесо. Остальные комплектующие изготавливаются из подручных средств. Для изготовления электростанции также потребуется фанера, медный провод, неодимовые магниты, смола.

Водяное колесо, как правило, выполняется из металла. В самом простом варианте умельцы изготавливают его из автомобильных дисков. Их крепят на ось и приваривают к ним лопасти. Передачу крутящего момента на генератор выполняют с помощью редуктора. Подобные установки не требуют серьёзных затрат, но мало распространены. Ведь не у каждого дома есть речка с бодрым течением. Зато там, где это возможно, хозяева частного дома могут неплохо сэкономить на электроэнергии.

Самодельная гидроэлектростанция

Если в шаговой доступности находится ручей со стремниной, то на нем можно организовать самодельную электростанцию. Это даст дополнительную возможность получать электричество.

Сочетание возобновляемых источников энергии: гибридные решения

В доме можно комбинировать более одного альтернативного источника энергии. Наиболее популярным решением являются гибридные коллекторы с использованием фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов. В тоже время они нагревают воду и вырабатывают электричество.

Энергию и тепло сегодня даже можно извлечь из сточных вод. На рынке есть так называемые системы отопления от сероводорода. Они собирают теплую воду, ранее использовавшуюся для стирки или мытья посуды, и передают ее в систему отопления дома. Эта система состоит из фильтра, специального резервуара для сточной воды и насоса.

Какое устройство выбрать для своего дома — решать вам. Если бюджет ограничен и вы не уверены в том, что устройство будет работать эффективно, рекомендуется начать с малого: установкой одной солнечной панели или рекуператора. А там уже смотреть.

Могут ли альтернативные системы энергии полностью заменить котел?

Нет, пока что не могут. Альтернативные источники энергии часто критикуют за их малую мощность — ни солнечные панели, ни ветряные электростанции, ни рекуператоры, разумеется, не смогут полностью решить проблему отопления и электричества частного дома. Или смогут, но это будет стоить слишком дорого.

Тем не менее, очевиден и другой факт — что такие устройства уже сегодня становятся важной составляющей инженерии многих домов, поскольку многие владельцы поняли, что такие системы позволяют неплохо сэкономить на счетах за газ и электроэнергию.

Источники

• https://cleanbin.ru/terms/alternative-energy
• https://bezotxodov.ru/jenergosberezhenie/alternativnaja-jenergetika
• https://stroychik.ru/raznoe/alternativnaya-energiya
• https://Nedvio.com/alternativnye-sistemy-energii-i-otopleniya-chastnogo-doma/
• https://StrojDvor.ru/elektrosnabzhenie/kakuyu-alternativnuyu-elektriku-mozhno-ispolzovat-v-chastnyx-domax/
• https://akbinfo.ru/alternativa/alternativnye-istochniki-jenergii-dlja-chastnogo-doma.html
• https://bezotxodov.ru/jenergosberezhenie/alternativnaja-jenergija-dlja-chastnogo-doma-svoimi-rukami

[свернуть]

Современные системы накопления энергии

Коммунальный сектор и транспорт стремятся полностью перейти на электрическую энергию, и в связи с этим быстро растет потребность в надежном, эффективном и экономичном аккумулировании энергии и ее отдаче во время пиковых нагрузок. В данной статье речь пойдет о накоплении и хранении энергии в любом виде, не только посредством ее преобразования в химическую и обратно. Батареи, конденсаторы, кинетическая энергия, хранение энергии в виде нагретой или охлажденной жидкости, а также в виде водорода — все это уже доступные и использующиеся решения, дающие широкие возможности. Однако, как обычно и бывает в нашей жизни, идеального метода нет, и каждая из перечисленных технологий, в зависимости от предполагаемого последующего применения накопленной энергии, имеет свои преимущества.

Технологии накопления энергии играют все большую роль в развитии современных систем коммунального энергоснабжения. Например, общая емкость накопления энергии в США уже превысила 2 ГВт·ч, причем недавно ежегодное увеличение объединенных хранилищ энергии приблизилось к 50%. Отрасль продолжает развиваться, адаптируясь к изменениям энергетического ландшафта и внедряя новые технологии.

Поскольку процентное содержание непрерывной генерации энергии на основе углерода в структуре энерго­потребления уступает место менее стабильному производству энергии из возобновляемых источников, накопление энергии представляет собой средство, с помощью которого спорадические поставки могут быть эффективно синхронизированы с колебаниями генерации и спроса в течение любого дня. По мере развития технологий и стратегий накопления энергии мы начинаем видеть возможности генерации энергии при энергетической независимости от прихотей природы.

 

Системы накопления энергии

Для захвата энергии, произведенной за короткий промежуток времени, с целью ее использования в дальнейшем доступны самые разные средства и технологии. Системы аккумулирования электрической и тепловой энергии являются наиболее распространенными, поэтому при проектировании современных объектов и инженерных систем именно они используются коммунальными предприятиями, которые, в свою очередь, предлагают жильцам зданий такие преимущества, как большая отказоустойчивость, экономия затрат, повышение энергоэффективности и удобство пользования энергией любого типа.

Электрическая энергия

Наибольший рост количества устанавливаемых систем накопления энергии за последнее десятилетие пришелся на электрические системы, такие как аккумуляторные батареи и конденсаторы. Литий-ионные аккумуляторы быстро стали той рабочей лошадкой, которая обычно используется в современных крупных системах аккумулирования энергии. Кроме того, такие аккумуляторные батареи являются основными компонентами и в быстро растущем парке электромобилей.

В качестве примера эффективной батареи можно привести ту, что построил Илон Маск (Elon Musk) в Австралии. Она была введена в эксплуатацию 1 декабря 2017 г. (рис. 1) [4], и уже 14 декабря ей удалось показать себя в деле во время сбоя на местной угольной электростанции.

Рис. 1. Новая система от Tesla — часть предпринимаемых усилий по решению проблем энергоснабжения в Южной Австралии, жители которой сильно страдают от постоянных скачков напряжения и отключений электросети

Кроме того, разрабатываются так называемые проточные или буферные батареи, которые можно использовать с учетом требуемых пиковой емкости и продолжительности компенсации недостающей энергии. Их роль могут выполнять конденсаторы — устройства, хранящие электрическую энергию в форме электростатического заряда, накопленного на их токопроводящих металлических обкладках без химического преобразования.

Энергия, накопленная в конденсаторе, описывается известной со школьной скамьи формулой:

W = ¹/₂Q²/C = ¹/₂C × V²,

где Q — количество заряда, накопленного на конденсаторе, C — емкость конденсатора, а V — напряжение на конденсаторе.

Как видно из приведенного уравнения, максимальное количество энергии, которое может храниться на конденсаторе, зависит от емкости, а также от максимального номинального напряжения конденсатора. Накопленная энергия может быстро высвобождаться из конденсатора благодаря тому, что конденсаторы имеют крайне низкое внутреннее сопротивление. Это свойство часто используется в системах, для которых характерны большие скачки нагрузки. Когда конденсатор подключен к источнику питания, он накапливает энергию (заряжается, не требуя при этом специальных зарядных устройств). При необходимости в порции дополнительной энергии конденсатор отдает накопленную энергию (разряжается), в этом отношении он похож на батарею. Разница в том, что батарея, как уже было сказано, использует электрохимические процессы для накопления энергии, в то время как конденсатор просто хранит электрический заряд. Таким образом, конденсаторы могут выделять накопленную энергию с гораздо более высокой скоростью, чем батареи, поскольку химические процессы для трансформации энергии и ее выхода из батареи требуют больше времени. Однако гораздо чаще конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности, приводящей к потерям в энергосетях.

Механические системы

Механические системы накопления энергии преобразуют электрическую энергию в потенциальную или кинетическую и хранят ее в таком виде, превращая обратно в электрическую, когда это необходимо. Обычно системы, основанные на этом подходе, включают крупные гидроаккумулирующие насосы (пример эффективного применения гидроаккумулирующих электростанций показан на рис. 2), механические маховики и устройства для хранения сжатого воздуха.

Рис. 2. Днестровская ГАЭС (Украина). Расчетная проектная мощность в турбинном режиме составляет 2268 МВт (семь гидроагрегатов по 324 МВт), что делает ее седьмой по мощности ГАЭС в мире, расчетный напор воды — 147,5 м

Тепловые системы

Аккумулирование тепловой энергии позволяет накапливать тепловую энергию (горячую или холодную) и позднее использовать ее, чтобы сбалансировать потребность в энергии между дневным и ночным потреблением или даже в разные климатические сезоны. Чаще всего такая система реализуется в виде емкостей для хранения охлаждающей воды или воды для нагрева (рис. 3), которая может генерироваться в периоды более низкого потребления энергии, а затем отдаваться в пиковое время, поддерживая стратегию ограничения максимальной нагрузки. Другие системы накопления тепловой энергии включают расплавленные соли, хранилище льда и криогенную технику.

Рис. 3. Хранение тепловой энергии поддерживает стратегию ограничения пиковых нагрузок, накапливая охлажденную или нагретую воду, выработанную в периоды с более низким потреблением электроэнергии, для использования в периоды с более высокой нагрузкой. Проект компании Affiliated Engineers

Химические системы

В дополнение к аккумуляторным системам, которые, как правило, основаны на электрохимическом процессе, доступны и другие системы хранения химической энергии, например путем выработки и хранения водорода. Для выработки водорода из воды путем электролиза применяется электрическая энергия. Затем водород сжимается и хранится для будущего использования в генераторах, работающих на водородном топливе, или в топливных элементах, опять превращаясь в воду.

Такой подход позволяет накапливать большие объемы энергии, однако он необязательно будет самым эффективным. Проблема в том, что он сам по себе энергозатратный, поскольку требует большого количества энергии для выделения водорода из воды, природного газа или биомассы, хранения газа путем сжатия или сжижения, передачи энергоносителя пользователю. Также часть энергии теряется при преобразовании в полезную электроэнергию с топливными элементами. Наиболее практичным пока остается получение водорода из природного газа — метана, СH₄. Один из примеров такой установки показан на рис. 4, но в данном случае все равно требуется энергия для его извлечения. Для практического использования остается только примерно 25%.

Рис. 4. Для получения водорода применяется электролиз, после его генерации водород сжимается или сжижается и хранится для последующего его использования в генераторах или топливных элементах. Изображение предоставлено компанией Affiliated Engineers

 

Преимущества, получаемые от использования систем накопления энергии

Системы накопления энергии могут использовать, чтобы поддержать стабильность ее поставок, снизить затраты и обеспечить устойчивость энергетической системы в целом. Возврат инвестиций будет зависеть от местных цен на коммунальные услуги, любых доступных программ стимулирования коммунальных предприятий для пикового сокращения потребления мощности, возможностей выработки энергии на месте и конкретного профиля нагрузки на определенный объект. Инвестиции могут вернуться довольно быстро: так, аккумуляторная батарея Илона Маска, показанная на рис. 1, согласно отчету Renew Economy [4] всего за несколько дней дала заработать владельцам 1 млн австралийских долларов, или $800 тыс. При этом Австралия является одним из лидеров по развитию возобновляемой энергетики, и наличие эффективного способа хранить такую энергию делает ее крайне дешевой.

Еще одно преимущество систем накопления энергии — их быстрое реагирование. Большинство технологий хранения могут компенсировать нехватку мощности электроэнергии в сети очень быстро, в то время как источники на основе ископаемого топлива имеют тенденцию довольно медленно увеличивать добавочную мощность. Такая скорость важна для обеспечения стабильного энерго­снабжения в случаях, когда происходит неожиданное резкое увеличение нагрузки. В качестве шутки, хорошо иллюстрирующей проблему, можно привести эпизод из известного фильма «Рождественские каникулы» (“National Lampoon’s Christmas Vacation”, 1989), где Кларк Гризволд неожиданно включил все 25 тыс. лампочек рождественской иллюминации. Пришлось запустить дополнительный атомный реактор на АЭС, до его подключения часть районов города оказалась обесточенной.

Резервное питание

Системы накопления энергии могут служить надежным источником резервного питания на случай потери питания от электросети из-за тяжелых погодных условий или иных проблем. Помогая объектам оставаться в рабочем состоянии, такие системы исключают потери из-за сокращения времени простоя и обеспечивают повышенную устойчивость к критическим ситуациям. Один из примеров — источник бесперебойного питания, но возможен и больший масштаб.

Ограничение пика и сдвиг нагрузки

Функциональность систем накопления энергии типа «потребность — ответ» позволяет им участвовать в стимулирующих поставщиков коммунальных услуг программах энерго­потребления, которые направлены на снижение использования энергии в периоды пиковой нагрузки на электрическую сеть.

Цена на энергию, как правило, обычно самая высокая в периоды пикового спроса. Ограничение максимума пиковых нагрузок обычно достигается путем смещения ряда нагрузок на время более низкого спроса на электроэнергию, например за счет ценового стимулирования потребителя с использованием многотарифных счетчиков потребляемой электроэнергии. Однако если сами нагрузки или время их работы не могут быть скорректированы по времени, следует рассмотреть вопрос о применении той или иной технологии накопления энергии.

Именно системы накопления энергии могут поддерживать сглаживание потребления электрической мощности для снижения затрат на электроэнергию. При этом, например, аккумуляторная батарея может заряжаться в периоды низкой нагрузки — в ночное время или в периоды более низкого потребления в течение дня, а также, как батарея Илона Маска (рис. 1), с использованием альтернативных источников энергии. Затем такая батарея разряжается во время периодов высокой нагрузки или аварийного отключения, смягчая воздействие больших нагрузок и сбоев напряжения в пределах объекта или энергосистемы в целом. Такой подход наиболее экономически эффективен для коммунальных потребителей, чей тариф основан на пиковом спросе энергопотребления.

Сдвиг нагрузки (также называемый «управлением тарифами») подобен пиковому сокращению потребляемой мощности, но вместо того, чтобы фокусироваться исключительно на пиковых ценах, он направлен на снижение общих затрат на кВт·ч. По сути, он использует разницу между низкой и высокой стоимостью энергии, сохраняя энергию при низких затратах и отдавая при высоких. Сдвиг нагрузки обычно обеспечивает дополнительную ценность для системы, которая уже предоставляет другие преимущества, такие как ограничение пика (максимума) нагрузки.

Возобновляемая энергия и ее проблемы

Когда возобновляемый источник энергии не может удовлетворить текущую потребность в мощности по причине неподходящих погодных условий (отсутствие достаточных солнечного света или силы ветра) или доступная генерация не соответствует пиковым потребностям в энергии, система накопления энергии может эти разрывы компенсировать, при этом поставка дополнительной энергии от традиционных источников электроэнергии не потребуется. Без накопления энергии или других управляемых источников генерации колебания возобновляемых источников энергии могут создать разрушительные дисбалансы, препятствующие поддержанию стабильности энергосистемы.

Рис. 5. Одна из десяти крупнейших солнечных электростанций Topaz Solar Farm в 2015 г., Калифорния, США [5]

Накопитель энергии также забирает себе избыточную энергию, выработанную возобновляемыми источниками, храня ее до периодов высокого спроса. Это скорее относится к районам с большим количеством солнечных установок, таким как Калифорния (рис. 5), где электрическая сеть насыщается фотоэлектрической энергией даже в то время, когда ее невозможно полностью использовать. График, описывающий потребление энергии, исходя из его формы, часто называют duck curve (буквально — «кривая в форме утки», рис. 6).

Рис. 6. График в виде профиля утки отображает нагрузку по чистой мощности в течение дня, иллюстрируя периоды потенциального перепроизводства и дефицита электроэнергии. Изображение предоставлено компанией Affiliated Engineers

«Кривая в форме утки» отражает полезную нагрузку в течение дня. Происхождение этого термина можно проследить по данным, приводимым California Independent System Operator (Калифорнийским независимым системным оператором) начиная с 2012 г. [2]. Этот некоммерческий независимый системный оператор контролирует работу энергосистемы, линий электропередачи и рынка электроэнергии. Для более подробного объяснения рассмотрим области, где пиковый спрос на энергию возникает после захода солнца, т. е. когда солнечная энергия больше не доступна. В тех случаях, когда энергосистема в основном использует солнечную энергию (в дневное время), в другое время суток должны быть доступны иные источники, которые смогут принять на себя нагрузку в пиковое время потребления мощности.

Кривая спроса на электроэнергию, представляющая общую нагрузку за вычетом мощности, вырабатываемой солнечной энергетикой, как уже было сказано, напоминает силуэт утки. В точке пикового спроса требуется один из двух вариантов энерго­снабжения. Коммунальные службы, для того чтобы принять меры в нужный момент и в том месте, где в реальном времени прекратилось производство фотоэлектрической энергии, должны либо подключать другие источники ее генерации, либо полагаться на накопители энергии. Поскольку хранение энергии — гораздо более гибкое и быстрое, а также более экономичное и устойчивое решение, оно, безусловно, является и наиболее предпочтительным вариантом.

По мере того как феномен кривой в форме утки становится все более распространенным, растет несоответствие почасовых тарифов на энергию. В Калифорнии за последние три года суточные тарифы на электроэнергию по сравнению с прежней ценой за МВт·ч удвоились, и это при том, что цена электроэнергии в полдень из-за ее избыточной генерации солнечными электростанциями резко снизилась до $15 за МВт·ч. Аккумуляторная батарея может помочь смягчить эти проблемы и сгладить изменчивость стоимости электроэнергии в зависимости от времени суток.

Качество электрической энергии

Системы накопления энергии обладают еще одним важным преимуществом — возможностью частотного регулирования. Это позволяет конкретному объекту поддерживать работу энергосистемы в целом и решать одну из ее основных задач, а именно обеспечивать постоянную частоту генерируемого напряжения переменного тока. Как известно, электрическая система все время находится в динамическом состоянии и постоянно балансирует между предложением (генерацией) и спросом (потреблением). Способность отдельной системы накопления энергии поглощать или высвобождать энергию, а также быстро компенсировать пики потребления представляет собой потенциальную услугу балансирования, приносящую доход, и необходимую дополнительную защиту от проблем, связанных со снижением качества электроэнергии, что часто является характерной чертой систем генерации энергии из возобновляемых источников.

Повышение платы за коммунальные услуги часто связано с нагрузками на объекты с низким коэффициентом мощности. Более высокая стоимость обусловлена более низким коэффициентом мощности, а низкие коэффициенты мощности могут вызвать проблемы с качеством электроэнергии. Система накопления энергии может повысить коэффициент мощности объекта, одновременно обеспечивая улучшение качества электроэнергии и экономию на ежемесячных счетах за коммунальные услуги.

 

Энергетические системы четвертого поколения

Хранение энергии играет важную роль и в системах городского теплоснабжения и охлаждения. Системы распределенного теплоснабжения используются с 1880-х гг. и до сих пор продолжают развиваться. Через городскую энергосистему различные источники, связанные с отоплением и охлаждением, также могут быть дополнены соответствующим хранилищем. Один из таких проектов в виде системы хранения тепловой энергии охлажденной воды для организации Национальных институтов здоровья (National Institutes of Health) США, выполненный компанией Affiliated, показан на рис. 3 [6]. По мере появления новых идей и технологий возможны бо́льшие эффективность и диверсификация.

В публикации 2015 г. “District Energy in Cities: Unlocking the Potential of Energy Efficiency and Renewable Energy” («Распределенная энергетика в городах: раскрытие потенциала энергоэффективности и возобновляемых источников энергии») [3] в рамках программы Организации Объединенных Наций по охране окружающей среды упоминается будущий стандарт городских энерго­систем как «систем четвертого поколения». Эта статья содержит рекомендации от представителей правительств разных стран и лучших в плане энергоэффективности городов по внедрению устойчивых отопления и охлаждения. Распределенное теплоснабжение, наряду с программами повышения энергоэффективности и переходом к системам четвертого поколения, позволяет получать больше отдачи от отработанного тепла и возобновляемых источников энергии в энергосистеме и обеспечивает балансирование переменных возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия и ветер.

Системы четвертого поколения работают при более низких температурах воды, что приводит к снижению потерь тепла по сравнению с предыдущими поколениями и позволяет использовать различные источники для его получения, такие как отходы, геотермальный обмен, солнечное тепло, комбинированное тепло и рекуперация энергии и тепла. В сочетании с накопителем тепловой энергии и интеллектуальным управлением такая система становится экономичным способом интеграции возобновляемой энергии и технологий накопления в повсе­дневную практику предоставления услуг энергосистемами.

 

Электрификация производства энергии. Транспорт

Современные энергетические (в общем понимании) и коммунальные системы становятся все более электрифицированными. Из-за развертывания все большего количества систем распределенной выработки энергии и, соответственно, распределенного ее накопления местные (традиционные) на основе топлива или возобновляемые источники энергии, а также технологии накопления энергии должны быть в состоянии стать взаимосвязанными — для обслуживания объекта, кампуса, города или какого-либо района. В таких случаях для получения электроэнергии могут использоваться, например, генераторы на природном газе, микротурбины, топливные элементы, солнечные фотоэлектрические системы, ветроэнергетические установки, комбинированные системы совместного производства теплоты и энергии (когенерационные установки). Метод накопления охлажденной воды и ее нагрева вместо сжигания ископаемого топлива максимально увеличивает коэффициент использования электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии, а также экономическую эффективность систем хранения электрической энергии. В свою очередь, электрические распределительные и передающие системы должны быть в состоянии приспособиться к большей электрификации самих источников энергии и накопительных нагрузок.

Для того чтобы выполнить эти условия, в течение нескольких лет использовались микросети. Как локализованная электрическая сеть, кампусы и другие районы аналогичного размера могут генерировать и накапливать электроэнергию из различных распределенных энергетических ресурсов, включая возобновляемые источники энергии. Уравновешивая ресурсы спроса и предложения (в том числе тепловую и электрическую нагрузку) в пределах определенных границ, именно микросетевая система обеспечивает отказоустойчивость, энергоэффективность и экономию затрат.

Еще один важный момент, который в какой-то момент начал оказывать влияние на нагрузку электросетей, связан с изменением парадигмы личного автотранспорта. По мере того как потребительский выбор смещается в сторону электромобилей и других альтернативных видов транспорта, все более актуальным становится удовлетворение потребности в соответствующей инфраструктуре, направленной на энергоснабжение этих электрифицированных транспортных средств. Подобно изменяющейся мощности возобновляемых источников энергии, переменная нагрузка из-за зарядки электромобилей, вероятно, превысит способность имеющихся систем выработки энергии соответствовать растущему спросу. Легко представить такой вариант развития событий, в котором все сотрудники одновременно приходят на работу и ставят свои электромобили на зарядку — или наоборот, когда люди возвращаются домой в конце дня и тоже подключают их подзарядиться. Интеграция дополнительных ресурсов накопления энергии в электрическую систему может помочь обеспечить требуемую энергию наиболее экономичным способом, используя для этого предварительно запасенную энергию в периоды низкой нагрузки, и система сможет быстро реагировать на повышенное потребление.

---

На чем основаны энергетические системы разных поколений

Первое поколение (1880–1930 гг.):

• местное отопление;
• системы на основе перегретого (высокотемпературного) пара;
• уголь.

Второе поколение (1930–1980 гг.):

• районное теплоснабжение;
• высокотемпературная система водяного отопления под давлением;
• комбинированные тепло и электрическая мощность;
• уголь, мазут.

Третье поколение (1980–2020 гг.):

• районное теплоснабжение;
• горячая вода средней температуры;
• комбинированные системы выработки тепла и электрической мощности;
• газ, уголь, мазут, энергетическое сырье из биомассы;
• крупномасштабные солнечные электростанции.

Четвертое поколение (2020–2050 гг.):

• районное теплоснабжение;
• горячая вода низкой температуры;
• централизованный нагрев и охлаждение;
• накопление и хранение электрической и тепловой энергии;
• рекуперация тепла;
• комбинированные системы выработки тепла и электрической мощности;
• энергетическое сырье из биомассы;
• геотеплообмен через геотермальные насосы;
• возобновляемая энергия: энергия солнца и ветра.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Экологические проблемы энергетического обеспечения человечества

Экологические проблемы энергетического обеспечения человечества Введение. Энергия – проблемы роста потребления     Энергетический кризис – явление, возникающее, когда спрос на энергоносители значительно выше их предложения. Его причины могут находиться в области логистики, политики или физического дефицита.     Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продол­жительности и улучшения условий его жизни.     История цивилизации – история изобретения все новых и новых методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и в конечном итоге увеличения энергопотребления.     Первый скачок в росте энергопотребления произошел, когда человек научился добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева своих жилищ. Источниками энергии в этот период служили дрова и мускульная сила человека. Следующий важный этап связан с изобретением колеса, созданием разнообразных орудий труда, развитием кузнечного производства. К XV веку средневековый человек, используя рабочий скот, энергию воды и ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек. Особенно заметное увеличение мирового потребления энергии произошло за последние 200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи, – оно возросло в 30 раз и достигло в 1998 г. 13.7 Гигатонн условного топлива в год. Человек индустриального общества потребляет в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек.     В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей.     В то же время энергетика – один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ).     Несмотря на отмеченные факторы отрицательного воздействия энергетики на окружающую среду, рост потребления энергии не вызывал особой тревоги у широкой общественности. Так продолжалось до середины 70-х годов, когда в руках специалистов оказались многочисленные данные, свидетельствующие о сильном антропогенном давлении на климатическую систему, что таит угрозу глобальной катастрофы при неконтролируемом росте энергопотребления. С тех пор ни одна другая научная проблема не привлекает такого пристального внимания, как проблема настоящих, а в особенности предстоящих изменений климата.     Считается, что одной из главных причин этого изменения является энергетика. Под энергетикой при этом понимается любая область человеческой деятельности, связанная с производством и потреблением энергии. Значительная часть энергетики обеспечивается потреблением энергии, освобождающейся при сжигании органического ископаемого топлива (нефти, угля и газа), что, в свою очередь, приводит к выбросу в атмосферу огромного количества загрязняющих веществ.     Такой упрощенный подход уже наносит реальный вред мировой экономике и может нанести смертельный удар по экономике тех стран, которые еще не достигли необходимого для завершения индустриальной стадии развития уровня потребления энергии, в том числе России. В действительности все обстоит гораздо сложнее. Помимо парникового эффекта, ответственность за который, частично лежит на энергетике, на климат планеты оказывает влияние ряд естественных причин, к числу важнейших из которых относятся солнечная активность, вулканическая деятельность, параметры орбиты Земли, автоколебания в системе атмосфера-океан. Корректный анализ проблемы возможен лишь с учетом всех факторов, при этом, разумеется, необходимо внести ясность в вопрос, как будет вести себя мировое энергопотребление в ближайшем будущем, действительно ли человечеству следует установить жесткие самоограничения в потреблении энергии с тем, чтобы избежать катастрофы глобального потепления. Современные тенденции развития энергетики  Рис. 5.37. Мировое потребление коммерческой энергии Е и численность населения Р во второй половине XX столетия     Общепринятая классификация подразделяет источники первичной энергии на коммерческие и некоммерческие.     Коммерческие источники энергии включают в себя твердые (каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, битуминозные пески), жидкие (нефть и газовый конденсат), газообразные (природный газ) виды топлива и первичное электричество (электроэнергия, произведенная на ядерных, гидро-, ветровых, геотермальных, солнечных, приливных и волновых станциях).     К некоммерческим относят все остальные источники энергии (дрова, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила рабочего скота и собственно человека).     Мировая энергетика в целом на протяжении всей индустриальной фазы развития общества основана преимущественно на коммерческих энергоресурсах (около 90% общего потребления энергии). Хотя следует отметить, что существует целая группа стран (экваториальная зона Африки, Юго-Восточная Азия), многочисленное население которых поддерживает свое существование почти исключительно за счет некоммерческих источников энергии.     Различного рода прогнозы потребления энергии, базирующиеся на данных за последние 50-60 лет предполагают, что примерно до 2025 г. ожидается сохранение современного умеренного темпа роста мирового потребления энергии – около 1.5% в год и проявившая себя в последние 20 лет стабилизация мирового душевого потребления на уровне 2.3-2.4 т усл.топл./(чел.-год). После 2030 г. по прогнозу начнется медленное снижение среднемирового уровня душевого потребления энергии к 2100 г. При этом общее потребление энергии обнаруживает явную тенденцию к стабилизации после 2050 г. и даже слабого уменьшения к концу века.     Одним из важнейших факторов, учитывавшихся при разработке прогноза, является обеспеченность ресурсами мировой энергетики, базирующейся на сжигании ископаемого органического топлива.     В рамках рассматриваемого прогноза, безусловно, относящегося к категории умеренных по абсолютным цифрам потребления энергии, исчерпание разведанных извлекаемых запасов нефти и газа наступит не ранее 2050 г., а с учетом дополнительных извлекаемых ресурсов – после 2100 г. Если принять во внимание, что разведанные извлекаемые запасы угля значительно превосходят запасы нефти и газа, вместе взятые, то можно утверждать, что развитие мировой энергетики по данному сценарию обеспечено в ресурсном отношении более чем на столетие.     Вместе с тем, результаты прогнозов дают значительный разброс, что хорошо видно из подборки некоторых опубликованных данных прогнозов на 2000 г. Таблица 5.7. Некоторые недавние прогнозы энергопотребления на 2000 г. (в скобках – год публикации) и его действительное значение. Прогностический центр Потребление первичной энергии, Гт усл.топл./год Институт атомной энергии (1987) 21.2 Международный институт прикладного системного анализа (IIASA) (1981) 20.0 Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) (1981) 18.7 Окриджская национальная лаборатория (ORNL) (1985) 18.3 Международная комиссия по изменению климата (IPCC) (1992) 15.9 Лаборатория глобальных проблем энергетики ИБРАЭ РАН–МЭИ (1990) 14.5 Действительное энергопотребление 14.3     Уменьшение энергопотребления по отношению к прогнозируемому связаны, прежде всего, с переходом от экстенсивных путей ее развития, от энергетической эйфории к энергетической политике, основанной на повышении эффективности использования энергии и всемерной ее экономии.     Поводом для этих изменений стали энергетические кризисы 1973 и 1979 годов, стабилизация запасов ископаемых топлив и удорожание их добычи, желание уменьшить обусловленную экспортом энергоресурсов зависимость экономики от политической нестабильности в мире. Табл.5.8. Стоимость электроэнергии от различных источников в США в 2000 г. (долл./кВт.ч). Источник электроэнергии Стоимость АЭС 0.14–0.15 ТЭС (уголь) 0.07–0.09 ГЭС (большие) 0.04 ГЭС (малые) 0.10–0.12 ТЭС (газовые) 0.04–0.06 ТЭС (биомасса) 0.07–0.10 ТЭС (геотермальные) 0.04 ВЭС (ветроустановки) 0.06–0.10 ГТЭС (гелиоустановки) 0.10–0.20     Вместе с тем, говоря о потреблении энергии, следует отметить, что в постиндустриальном обществе должна быть решена еще одна основополагающая задача – стабилизация численности населения.     Современное общество, не решившее эту проблему или, по крайней мере, не предпринимающее усилий для ее решения, не может считаться ни развитым, ни цивилизованным, поскольку совершенно очевидно, что бесконтрольный рост населения ставит непосредственную угрозу существования человека как биологического вида.     Итак, потребление энергии на душу населения в мире обнаруживает явную тенденцию к стабилизации. Следует отметить, что этот процесс начался еще около 25 лет тому назад, т.е. задолго до нынешних спекуляций на глобальном изменении климата. Такое явление в мирное время наблюдается впервые с начала индустриальной эпохи и связано с массовым переходом стран мира в новую, постиндустриальную стадию развития, в которой потребление энергии на душу населения остается постоянным. Указанный факт имеет весьма важное значение, поскольку в результате и величина общего потребления энергии в мире растет гораздо более медленными темпами. Можно утверждать, что серьезное замедление темпов роста энергопотребления оказалось полной неожиданностью для многих прогнозистов. Кризис топливных ресурсов     В начале 70-х годов страницы газет запестрели заголовками: «Энергетический кризис!», «Надолго ли хватит органического топлива?», «Конец нефтяного века!», «Энергетический хаос». Этой теме до сих пор большое внимание уделяют все средства массовой информации – печать, радио, телевидение. Основания для такой тревоги есть, ибо человечество вступило в сложный и достаточно долгий период мощного развития своей энергетической базы. Поэтому следуете просто расходовать известные сегодня запасы топлива, но расширяя масштабы современной энергетики, отыскивать новые источники энергии и развивать новые способы её преобразования.     Прогнозов о развитии энергетики сейчас очень много. Тем не менее, несмотря на улучшившуюся методику прогнозирования, специалисты, занимающиеся прогнозами, не застрахованы от просчетов, и не имеют достаточных оснований говорить о большой точности своих прогнозов для такого временного интервала, каким являются 40-50 лет.     Человек всегда будет стремиться обладать как можно большим количеством энергии, обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника дадут ему возможность получать энергию во всевозрастающих объемах. Но, как показывает историческое развитие, обязательно будут появляться новые открытия и изобретения, которые помогут человечеству сделать очередной качественный скачок и пойти к новым достижениям ещё более быстрыми шагами.     Тем не менее, пока проблема истощения энергетических ресурсов остается. Ресурсы, которыми обладает Земля, делятся на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относятся солнечная энергия, тепло Земли, приливы океанов, леса. Они не прекратят существования, пока будут Солнце и Земля. Невозобновляемые ресурсы не восполняются природой или восполняются очень медленно, гораздо медленнее, чем их расходуют люди. Скорость образования новых горючих ископаемых в недрах Земли определить довольно трудно. В связи с этим оценки специалистов различаются более чем в 50 раз. Если даже принять самое большое это число, то все равно скорость накопления топлива в недрах Земли в тысячу раз меньше скорости его потребления. Поэтому такие ресурсы и называют невозобновляемыми. Оценка запасов и потребления основных из них приведена в табл.5.44. В таблице приведены потенциальные ресурсы. Поэтому при существующих сегодня методах добычи из них можно извлечь только около половины. Другая половина остается в недрах. Именно поэтому, часто утверждают, что запасов хватит на 120-160 лет. Большую тревогу вызывает намечающееся истощение нефти и газа, которого (по имеющимся оценкам) может хватить всего на 40-60 лет.     С углем свои проблемы. Во-первых, его транспортировка – дело весьма трудоемкое. Так в России, основные запасы угля сосредоточены на востоке, а основное потребление – в европейской части. Во-вторых, широкое использование угля связано с серьезным загрязнением атмосферы, засорением поверхности земли и ухудшением почвы.     В разных странах все перечисленные проблемы выглядят различно, но решение их почти везде было одно – внедрение атомной энергетики. Запасы уранового сырья тоже ограничены. Однако если говорить о современных тепловых реакторах усовершенствованного типа, то для них, вследствие достаточно большой их эффективности, можно считать запасы урана практически безграничными.     Так почему же люди заговорили об энергетическом кризисе, если запасов только органического топлива хватит на сотни лет, а в резерве ещё ядерное?     Весь вопрос в том, сколько оно стоит. И именно с этой стороны нужно рассматривать сейчас энергетическую проблему. в недрах земли ещё много, но их добыча Нефти, газа стоит все дороже и дороже, так как эту энергию приходится добывать из более бедных и глубоко залегающих пластов, из небогатых месторождений, открытых в необжитых, труднодоступных районах. Гораздо больше приходится и придется вкладывать средств для того, чтобы свести к минимуму экологические последствия использования органического топлива.     Атомная энергия внедряется сейчас не потому, что она обеспечена топливом на столетия и тысячелетия, а, скорее из-за экономии и сохранения на будущее нефти и газа, а также из-за возможности уменьшения экологической нагрузки на биосферу.     Существует распространенное мнение, что стоимость электроэнергии АЭС значительно ниже стоимости энергии, вырабатываемой на угольных, а в перспективе – и газовых электростанциях. Но если подробно рассмотреть весь цикл атомной энергетики (от добычи сырья до утилизации РАО, включая расходы на строительство самой АЭС), то эксплуатация АЭС и обеспечение ее безопасной работы оказываются дороже, чем строительство и работа станции такой же мощности на традиционных источниках энергии (табл.5.8 на примере экономики США).     Поэтому в последнее время все больший акцент делается на энергосберегающих технологиях и возобновляемых источниках – таких как солнце, ветер, водная стихия. Например, в Европейском союзе поставлена цель к 2010-2012 гг. получать 22% электроэнергии с помощью новых источников. В Германии, например, уже в 2001 г. энергия, производимая от возобновимых источников, была равносильна работе 8 атомных реакторов, или 3.5% всей электроэнергии.     Многие считают, что будущее принадлежит дарам Солнца. Однако, оказывается и здесь все не так просто. Пока стоимость получения электроэнергии с применением современных солнечных фотоэлектрических элементов в 100 раз выше, чем на обычных электростанциях. Однако специалисты, занимающиеся фотоэлементами, полны оптимизма, и считают, что им удастся существенно снизить их стоимость.     Точки зрения специалистов на перспективы использования возобновляемых источников энергии очень различаются. Комитет по науке и технике в Англии, проанализировав перспективы освоения таких источников энергии, пришел к выводу, что их использование на базе современных технологий пока минимум в два-четыре раза дороже строительства АЭС. Другие специалисты в различных прогнозах этим источникам энергии уже в недалеком будущем. По-видимому, источники возобновляемой энергии будут применяться в отдельных районах мира, благоприятных для их эффективного и экономичного использования, но в крайне ограниченных масштабах. Основную долю энергетических потребностей человечества должны обеспечить уголь и атомная энергетика. Правда, пока нет настолько дешевого источника, который позволил бы развивать энергетику такими быстрыми темпами, как бы этого хотелось.     Сейчас и на предстоящие десятилетия наиболее экологичным источником энергии представляются ядерные, а затем, возможно, и термоядерные редакторы. С их помощью человек и будет двигаться по ступеням технического прогресса. Будет двигаться до тех пор, пока не откроет и не освоит какой-либо другой, более удобный источник энергии.     На рис.5.38 приведен график роста мощности АЭС в мире и производства электроэнергии за 1971-2006 гг., и прогнозы развития на 2020-30 гг. Помимо упомянутых выше, несколько развивающихся стран, таких, как Индонезия, Египет, Иордания и Вьетнам, заявили о возможности создания АЭС и сделали первые шаги в этом направлении. Рис.5.38. (наверху) Рост мощности АЭС и производства электроэнергии за 1971-2006 гг. по данным МАГАТЭ и прогнозы мощности АЭС в Мире на 2020-2030 гг. (внизу) Экологический кризис энергетики     Основные формы влияния энергетики на окружающую среду состоят в следующем. Основной объем энергии человечество пока получает за счет использования невозобновимых ресурсов. Загрязнение атмосферы: тепловой эффект, выделение в атмосферу газов и пыли. 3. Загрязнение гидросферы: тепловое загрязнение водоемов, выбросы загрязняющих веществ. Загрязнение литосферы при транспортировке энергоносителей и захоронении отходов, при производстве энергии. Загрязнение радиоактивными и токсичными отходами окружающей среды. Изменение гидрологического режима рек гидроэлектростанциями и как следствие загрязнение на территории водотока. Создание электромагнитных полей вокруг линий электропередач.     Согласовать постоянный рост энергопотребления с ростом отрицательных последствий энергетики, учитывая, что в ближайшее время человечество ощутит ограниченность ископаемого топлива, можно, по-видимому, двумя способами Экономия энергии. Степень влияния прогресса на экономию энергии можно продемонстрировать на примере паровых машин. Как известно, КПД паровых машин 100 лет назад составлял 3-5%, а сейчас достигает 40%. Развитие мировой экономики после энергетического кризиса 70 годов также показало, что на этом пути у человечества есть значительные резервы. Применение ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий обеспечило значительное сокращение потребления топлива и материалов в развитых странах. Развитие экологически более чистых видов производства энергии. Решить проблему, вероятно, способно развитие альтернативных видов энергетики, особенно базирующихся на использовании возобновляемых источников. Однако пути реализации данного направления пока не очевидны. Пока возобновимые источники дают не более 20 % общемирового потребления энергии. Основной вклад в эти 20% дают использование биомассы и гидроэнергетика. Экологические проблемы традиционной энергетики     Основная часть электроэнергии производится в настоящее время на тепловых электростанциях (ТЭС). Далее обычно идут гидроэлектростанции (ГЭС) и атомные электростанции (АЭС).     1) Тепловые электростанции     В большинстве стран мира доля электроэнергии, вырабатываемой на ТЭС больше 50%. В качестве топлива на ТЭС обычно используются уголь, мазут, газ, сланцы. Ископаемое топливо относится к невозобновимым ресурсам. Согласно многим оценкам угля на планете хватит на 100-300 лет, нефти на 40-80 лет, природного газа на 50-120 лет.     Коэффициент полезного действия ТЭС составляет в среднем 36-39%. Наряду с топливом ТЭС потребляет значительное количество воды. Типичная ТЭС мощностью 2 млн. кВт ежесуточно потребляет 18 000 т угля, 2500 т мазута, 150 000 м3 воды. На охлаждение отработанного пара на ТЭС используются ежесуточно 7 млн. м3 воды, что приводит к тепловому загрязнению водоема-охладителя.     Для ТЭС характерно высокое радиационное и токсичное загрязнение окружающей среды. Это обусловлено тем, что обычный уголь, его зола содержат микропримеси урана и ряда токсичных элементов в значительно больших концентрациях, чем земная кора.     При строительстве крупных ТЭС или их комплексов загрязнение еще более значительно. При этом могут возникать новые эффекты, например, обусловленные превышением скорости сжигания кислорода над скоростью его образования за счет фотосинтеза земных растений на данной территории, или вызванные увеличением концентрации углекислого газа в приземном слое.     Из ископаемых источников топлива наиболее перспективным является уголь (его запасы огромны по сравнению с запасами нефти и газа). Основные мировые запасы угля сосредоточены в России, Китае и США. При этом основное количество энергии в настоящее время вырабатывается на ТЭС за счет использования нефтепродуктов. Таким образом, структура запасов ископаемого топлива не соответствует структуре его современного потребления при производстве энергии. В перспективе – переход на новую структуру потребления ископаемого топлива (угля) вызовет значительные экологические проблемы, материальные затраты и изменения во всей промышленности. Ряд стран уже начал структурную перестройку энергетики. Рис.5.39. Дивногорская ГЭС.     2) Гидроэлектростанции     Основные достоинства ГЭС – низкая себестоимость вырабатываемой электроэнергии, быстрая окупаемость (себестоимость примерно в 4 раза ниже, а окупаемость в 3-4 раза быстрее, чем на ТЭС), высокая маневренность, что очень важно в периоды пиковых нагрузок, возможность аккумуляции энергии.     Но даже при полном использовании потенциала всех рек Земли можно обеспечить не более четверти современных потребностей человечества. В России используется менее 20 % гидроэнергетического потенциала. В развитых странах эффективность использования гидроресурсов в 2-3 раза выше, т.е. здесь у России есть определенные резервы. Однако сооружение ГЭС (особенно на равнинных реках) приводит ко многим экологическим проблемам. Водохранилища, необходимые для обеспечения равномерной работы ГЭС, вызывают изменения климата на прилегающих территориях на расстояниях до сотен километров, являются естественными накопителями загрязнений.     В водохранилищах развиваются сине-зеленые водоросли, ускоряются процессы эфтрофикации, что приводит к ухудшению качества воды, нарушает функционирование экосистем. При строительстве водохранилищ нарушаются естественные нерестилища, происходит затопление плодородных земель, изменяется уровень подземных вод.     Более перспективным является сооружение ГЭС на горных реках. Это обусловлено более высоким гидроэнергетическим потенциалом горных рек по сравнению с равнинными реками. При сооружении водохранилищ в горных районах не изымаются из землепользования большие площади плодородных земель. Рис.5.40. Балаковская АЭС.     3) Атомные электростанции     АЭС не вырабатывают углекислого газа, объем других загрязнений атмосферы по сравнению с ТЭС также мал. Количество радиоактивных веществ, образующихся в период эксплуатации АЭС, сравнительно невелико. В течение длительного времени АЭС представлялись как наиболее экологически чистый вид электростанций и как перспективная замена ТЭС, оказывающих влияние на глобальное потепление. Однако процесс безопасной эксплуатации АЭС еще не решен. С другой стороны, замена основной массы ТЭС на АЭС для устранения их вклада в загрязнение атмосферы в масштабе планеты не осуществима из-за огромных экономических затрат.     Чернобыльская катастрофа привела к коренному изменению отношения населения к АЭС в регионах размещения станций или возможного их строительства. Поэтому перспектива развития атомной энергетики в ближайшие годы неясна. Среди основных проблем использования АЭС можно выделить следующие.     1. Безопасность реакторов. Все современные типы реакторов ставят человечество под угрозу риска глобальной аварии, подобной Чернобыльской. Такая авария может произойти по вине конструкторов, из-за ошибки оператора или в результате террористического акта. Принцип внутренней самозащищенности активной зоны реактора в случае развития аварии по худшему сценарию с расплавлением активной зоны должен быть непреложным требованием при проектировании реакторов. Ядерная технология сложна. Потребовались годы анализа и накопленного опыта, чтобы просто осознать возможность возникновения некоторых типов аварий.     Неопределенности в отношении безопасности никогда не будут полностью разрешены заранее. Большое их количество будет обнаружено только во время эксплуатации новых реакторов.     3. Снижение эмиссии диоксида углерода. Считается, что вытеснение тепловых электростанций атомными поможет решить проблему снижения выбросов диоксида углерода, одного из главных парниковых газов, способствующих потеплению климата на планете. Однако, на самом деле, электростанции с комбинированным циклом на природном газе не только намного экономичнее, чем АЭС, но и при одних и тех же затратах достигается значительно большее снижение выбросов диоксида углерода, чем при использовании атомной энергии с учетом всего топливного цикла (потребление энергии при добыче и обогащении урана, изготовлении ядерного топлива и других затрат на «входе» и «выходе»).     4. Снятие с эксплуатации реакторов на АЭС. К 2010 г. половина из работающих в мире АЭС имела возраст 25 лет и более. После этого предполагается процедура снятия с эксплуатации реакторов. По данным Всемирной ядерной ассоциации (WNA), более 130 промышленных ядерных установок уже выведены из эксплуатации, либо ожидают этой процедуры. И во всех случаях возникает проблема утилизации радиоактивных отходов, которые надо надежно изолировать и хранить длительный срок в специальных хранилищах. Многие эксперты считают, что эти расходы могут сравняться с расходами на строительство АЭС.     5. Опасность использования АЭС для распространения ядерного оружия. Каждый реактор производит ежегодно плутоний в количестве, достаточном для создания нескольких атомных бомб. В отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), которое регулярно выгружается из реакторов, содержится не только плутоний, но и целый набор опасных радиационных элементов. Поэтому МАГАТЭ старается держать под контролем весь цикл обращения с отработавшим ядерным топливом во всех странах, где работают АЭС.     Примитивную атомную бомбу можно сделать из отработавшего ядерного топлива любой АЭС. Если для создания бомбы необходимы сложное производство, специальное оборудование и подготовленные специалисты, то для создания так называемых грязных ядерных взрывных устройств – все намного проще, и здесь опасность очень велика. При использовании такой «самоделки» ядерного взрыва, конечно, не будет, но будет сильное радиоактивное заражение. Такие устройства террористы и экстремисты могут изготовить самостоятельно, приобретя на ядерном черном рынке необходимые расщепляющие материалы. Такой рынок, как это ни прискорбно, существует, и атомная промышленность является потенциальным поставщиком таких материалов. Эколого-экономическая характеристика основных возобновимых и альтернативных источников энергии     Считается, что возобновимые источники энергии (ветровые, солнечные, геотермальные, волновые и др.), модульные станции на природном газе с использованием топливных элементов, утилизация сбросного тепла и отработанного пара, как и многое другое,– реальные пути защиты от изменения климата без создания новых угроз для ныне живущих и будущих поколений. Рассмотрим эти вопросы более подробно.     1) Прямое использование солнечной энергии     Мощность солнечной радиации, поглощенной атмосферой и земной поверхностью, составляют 105 ТВт (1017 Вт). Эта величина кажется огромной по сравнению с современным мировым энергопотреблением, равным 10 ТВт. Поэтому ее считают наиболее перспективным видом нетрадиционной (альтернативной) энергетики.     К основным методам преобразования солнечной энергии относятся, прежде всего, методы прямого использования солнечной энергии – фотоэлектрическое преобразование и термодинамический цикл, а также биоконверсия.     Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии основан на особенностях взаимодействия полупроводниковых материалов со световым излучением. В фотоэлектрическом преобразователе свободные носители образуются в результате поглощения светового кванта полупроводником, разделение зарядов производится под действием электрического поля, возникающего внутри полупроводника. Теоретически КПД преобразователя может достигать 28%.     Низкая плотность солнечного излучения является одним из препятствий его широкого использования. Для устранения этого недостатка при конструировании фотоэлектрических преобразователей используются различного рода концентраторы излучения. Главные преимущества фотоэлектрических установок заключается в том, что они не имеют движущихся частей, их конструкция очень проста, производство – тех­нологично. К их недостаткам можно отнести разрушение полупроводникового материала от времени, зависимость эффективности работы системы от ее запыленности, необходимость разработки сложных методов очистки батарей от загрязнения. Все это ограничивает срок службы фотоэлектрических преобразователей.     Гибридные станции, состоящие из фотоэлектрических преобразователей и дизельных генераторов, уже широко используются для электроснабжения на территориях, где нет распределительных электрических сетей. Например, система такого типа обеспечивает электроэнергией жителей Кокосового острова, расположенного в Торресовом проливе. Рис.5.41. Схема термодинамического преобразователя солнечной энергии: а – схема с теплообменником, б – схема без теплообменника.    Энергию получают из солнечной энергии методом термодинамического преобразования практически так же как из других источников. Однако такие особенности солнечного излучения как низкая мощность, суточная и сезонная изменчивость, зависимость от погодных условий, накладывают определенные ограничения на конструкцию термодинамических преобразователей.     Обычный термодинамический преобразователь солнечной энергии содержит (рис.5.41) систему улавливания солнечной радиации, которая предназначена частично скомпенсировать низкую плотность солнечного излучения; приемную систему, которая преобразует солнечную энергию в энергию теплоносителя; систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору или к теплообменнику; тепловой аккумулятор, который обеспечивает смягчение зависимости от суточной изменчивости и погодных условий; теплообменники, образующие нагревательный и охладительный источники тепловой машины.     Для среднетемпературного аккумулирования (от 100 до 5500С) используются гидраты оксидов щелочноземельных металлов. Высокотемпературное аккумулирование (температура выше 5500С) осуществляется с помощью обратимых экзо-эндотермических реакций.     В настоящее время идеи термодинамического преобразования реализуются в схемах двух типов: гелиостаты башенного типа и станции с распределенным приемником энергии.     На гелиостанции башенного типа энергия от каждого гелиостата передается оптическим способом. Управление гелиостатами осуществляет ЭВМ. До 80% стоимости станции составляет стоимость гелиостатов. Система сбора и передачи энергии в установках башенного типа оказывается очень дорогой. Поэтому такие установки не получили широкого распространения. В Мексике, США, работают установки такого типа мощностью 10 Мвт.     Станции с распределенными приемниками солнечной энергии оказались более перспективными. Концентраторы параболического типа, вращающиеся вокруг оси, передают энергию трубчатым приемникам, находящимся на фокальной линии. В качестве теплоносителя обычно используется масло. Нерешенной проблемой в гелиостанциях является вопрос о длительном хранении электроэнергии. Правда следует отметить, что этот вопрос не решен не только в солнечной энергетике, но и вообще в энергетике. Рис. 5.42. Динамика суммарных установленных мощностей солнечных модулей по регионам мира за 2000-2009 гг.    Более широкому внедрению солнечной энергетики пока препятствует более высокая стоимость производства на солнечных электростанциях по сравнению с традиционными источниками энергии. Солнечная энергетика имеет особенности, которые существенно затрудняют ее широкое использование. Это, прежде всего низкая плотность потока энергии и ее непостоянство, т.к. интенсивность солнечного излучения зависит от времени года, суток и метеоусловий. Тем не менее, в настоящее время, наблюдается тенденция значительного роста, как вводимых мощностей, так и инвестиций в данную отрасль по всему миру. В 2008-2009 гг. новые инвестиции превысили половину всех инвестиций в общее производство энергии. В 2010 г. впервые прирост мощностей, основанных на возобновляемых источниках энергии, превысил ввод в действие мощностей традиционных. По показателям имеющихся мощностей и инвестиций по многим параметрам лидируют Китай, США, Германия, Индия и Бразилия. На фоне этого российская цель – 1.5 % к 2010 г. и 4.5 % ВИЭ в производстве электроэнергии к 2020 г. – выглядит очень скромно.     Кроме того, использование энергии солнца предполагает обязательное наличие накопителей электроэнергии достаточной емкости. Как правило, это обычные аккумуляторы. Поэтому, если рассматривать солнечную энергетику полного цикла (с учетом производства датчиков-преобразователей солнечной энергии и, особенно, аккумуляторных батарей), то суммарное влияние такой энергетики на загрязнение окружающего пространства оказывается не таким уж и незначительным.     2) Биоконверсия солнечной энергии     Биомасса, как источник энергии, используется с древнейших времен. В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в виде химической энергии в зеленой массе растений. Запасенная в биомассе энергия может быть использована в виде пищи человеком или животными или для получения энергии в быту и производстве. В настоящее время до 15% энергии в мире производится из биомассы.     Самый древний, и еще широко применяемый, способ получения энергии из биомассы заключается в ее сжигании. В сельской местности до 85% энергии получают этим способом. Как топливо, биомасса имеет ряд преимуществ перед ископаемым топливом. Прежде всего – это возобновимый источник энергии. При сжигании биомассы выделяется в 10-20 раз меньше серы и в 3-5 раз меньше золы, чем при сжигании угля. Количество углекислого газа, выделившегося при сжигании биомассы, равно количеству углекислого газа, затраченного в процессе фотосинтеза.     Энергию биомассы можно получать из специальных сельскохозяйственных культур. Например, в субтропическом поясе России предлагается выращивать карликовые породы быстрорастущего вида папайи. С одного гектара за 6 месяцев на опытных участках получают более 5 т биомассы по сухому весу, которую можно использовать для получения биогаза. К перспективным видам относятся быстрорастущие деревья, растения, богатые углеводами, которые применяются для получения этилового спирта (например, сахарный тростник). В США разработан способ производства спирта из кукурузы, в Италии ведутся работы над разработкой способа рентабельного производства спирта из сорго. Около 200 автобусов в Стокгольме уже работают на спирте. Рис.5.43. Водорослевая плантация в тепличном комплексе.     Широко распространенный способ получения энергии из биомассы заключается в получении биогаза путем анаэробного перебраживания. Такой газ содержит около 70% метана. Биометаногенез был открыт еще в 1776 году Вольтой, который обнаружил содержание метана в болотном газе. Биогаз позволяет использовать газовые турбины, являющиеся самыми современными средствами теплоэнергетики. Для производства биогаза используются органические отходы сельского хозяйства и промышленности. Это направление является одним из перспективных и многообещающих способов решения проблемы энергообеспечения сельских районов. Например, из 300 т сухого вещества навоза, превращенного в биогаз, выход энергии составляет около 30 т нефтяного эквивалента.     Биомассу для последующего получения биогаза, можно выращивать в водной среде, культивируя водоросли и микроводоросли. Во многих научных лабораториях, например в Лаборатории возобновляемых источников энергии МГУ им. М. В. Ломоносова, сейчас занимаются разработкой технологий выращивания микроводорослей для биоконверсии солнечной энергии.     3) Волновая энергетика     Волновая электростанция – установка, расположенная в водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн.     В последнее время пристальное внимание ученых и конструкторов привлекает использование различных видов энергии Мирового океана. Построены первые приливные электростанции. Разрабатываются методы использования тепловой энергии океана, связанной, например, со значительной разницей температур поверхностного и глубинного слоев океана, достигающей в тропических областях 20°С и более. В настоящее время накоплен значительный объем инструментальных измерений ветрового волнения в Мировом океане. На основе этих данных волновая климатология определяет районы с наиболее интенсивным и постоянным волнением. Рис.5.44. Конвертеры волновой энергии первой в мире волновой электростанции Pelamis P-750 (Португалия).    Первая заявка на патент волновой электростанции была подана в Париже в 1799 г. Уже в 1890 г. была предпринята первая попытка практического использования энергии волн, хотя первая волновая электростанция мощностью 2,25 МВт вошла в коммерческую эксплуатацию только в 2008 г. в районе Агусадора (Португалия) на расстоянии 5 км от берега (рис.5.44). Проект электростанции принадлежит шотландской компании Pelamis Wave Power, которая в 2005 г. заключила контракт с португальской энергетической компанией Enersis на строительство волновой электростанции. Стоимость контракта составила 8 млн. евро. В 2009 г. волновая электростанция была введена в эксплуатацию на Оркнейских островах. В Великобритании строится волновая электростанция мощностью в 20 МВт. Строят такие электростанции и некоторые другие прибрежные государства.     В большинстве проектов волновых электростанций предполагается использовать двухступенчатую схему преобразования. На первом этапе осуществляется передача энергии от волны к телу-поглотителю и решается задача концентрирования волновой энергии. На втором этапе поглощенная энергия преобразуется в вид, удобный для потребления. Существует три основных типа проектов по извлечению волновой энергии. В первом используется метод повышения концентрации волновой энергии и превращения ее в потенциальную энергию воды. Во втором – тело с несколькими степенями свободы находится у поверхности воды. Волновые силы, действующие на тело, передают ему часть волновой энергии. Основным недостатком такого проекта является уязвимость тела, находящегося под действием волн. В третьем типе проектов, система, поглощающая энергию, находится под водой. Передача волновой энергии происходит под действием волнового давления или скорости.     В ряде волновых установок для повышения эффективности плотность волновой энергии искусственно повышается. Изменяя рельеф дна в прибрежной зоне, можно сконцентрировать морские волны по­добно линзе, фокусирующей световые волны. Если сфокусировать волны с побережья длиной в несколько километров на фронте в 500 м, то высота волны может достигнуть 30 м. Попадая в специальные сооружения, вода поднимается на высоту в 100 м. Энергия поднятой воды может быть использована для работы гидроэлектростанции, распо­ложенной на уровне океана. Волновая электростанция подобного типа используется для обеспечения электроэнергией острова Маврикий, не имеющего традиционных источников энергии.     Ряд устройств по преобразованию волновой энергии использует различные свойства волновых движений: периодические изменения уровня водной поверхности, волнового давления или волновой скорос­ти. Процент использования волновой энергии достигает 40 %. Электроэнергия передается на берег по кабелю. В Японии создан промышленный образец такой системы, имеющей 9 турбин общей мощностью в 2 МВт.     Сила, с которой волны воздействуют на сооружения в береговой зоне, достигает нескольких тонн на квадратный метр. Это силовое воздействие тоже может быть использовано для преобразования волновой энергии.     Волновая энергетика не использует ископаемое топливо, стоимость которого непрерывно растет, а запасы ограничены. Перед волновой энергетикой не стоит в острой форме проблема воздействия на окружающую среду. Однако в настоящее время производство 1 кВт электроэнергии на волновых электростанциях в 5-10 раз выше, чем на АЭС или ТЭС. Кроме того, если значительная часть акватории будет покрыта волновыми преобразователями, это может привести к неприятным экологическим последствиям, так как волны играют важную роль в газообмене атмосферы и океана, в очистке поверхности моря и приводного слоя воздушного потока от загрязнения.     Поэтому волновую энергетику следует рассматривать только как дополнительный к традиционным источник энергии, который может иметь значение только в некоторых районах мира.     4) Приливные электростанции     В прибрежной зоне приливные волны проявляются в периодическом подъеме и опускании уровня. В узостях приливы часто проявляются в виде мощных течений. В некоторых местах высота прилива достигает значительной величины – 12-20 м. Энергия приливных волн огромна. Рис.5.45. Приливная электростанция «Аннапорлис» (Канада).     Человек уже давно начал использовать энергию приливов. Так, приливные мельницы использовались в 15 веке в Англии, были широко распространены на северо-восточном побережье Канады в 17 веке.     Для концентрации водного напора на станции плотина отделяет часть акватории. В теле плотины размещаются гидрогенераторы, водопропускные сооружения, здание станции. Величина напора зависит от колебаний уровня по обе стороны плотины. Колебания во внешнем бассейне определяются местным приливом, колебания во внутреннем бассейне определяются расходами воды при работе станции. Приливные станции относятся к низконапорным гидротехническим сооружениям, в которых водяной напор не более 15-20 м.     Первая в мире приливная гидроэлектростанция мощностью 320 МВт была запущена в 1966 г. устье реки Ранс (Франция). Первая приливная электростанция в нашей стране, имеющая два гидроагрегата по 400 кВт каждый, была построена в Кислой губе на Баренцевом море в 1968 г. Несколько приливных станций проектируется и уже построено в заливе Фанди, который характеризуется самыми высокими приливами в мире. Опыт строительства и эксплуатации подобных станций показал, что они экономически оправданы, и издержки их эксплуатации гораздо ниже, чем при эксплуатации обычных ГЭС. Наиболее развитым в мире рынком электроэнергии, выработанной посредством волн и приливов, является Шотландия, где установлены самые большие приливные турбины. Рис.5.46. Кислогубская ПЭС (СССР), вид с моря, 1968 год.     Использование энергии приливов ограничивается, в основном, высокой стоимостью сооружения. Кроме того, как оказалось, приливные станции характеризуются отрицательным влиянием на окружающую среду. Сооружение плотины приведет к увеличению амплитуды прилива. Даже небольшое повышение амплитуды прилива вызовет значительное изменение распределение грунтовых вод в береговой зоне, увеличит зону затопления, нарушит циркуляцию водных масс, изменит ледовый режим в части бассейна за плотиной и т.д.     Сооружение плотины должно вызвать и важные биологические последствия. В бассейне за плотиной работа станции будет оказывать воздействие на литораль (зона между наивысшей точкой затопления во время прилива и нижней, обнажающейся при отливе). Плотина может оказать вредное воздействие не только на местные сообщества, но и на мигрирующие виды. Например, по оценкам биологов строительство плотины в Пенжинской губе Охотского моря нанесет непоправимый вред популяции охотоморской сельди. При строительстве плотин в зоне умеренного климата возможно образование зоны сероводородного заражения, подобной тем, которые наблюдаются в заливах и бухтах, имеющих естественные пороги. Фиорды Скандинавского полуострова, имеющие естественный порог, представляют собой классический пример такого естественного сероводородного заражения.     5) Градиент-температурная энергетика     Данный способ получения энергии основан на разности температур. Не слишком распространен. Посредством него можно получать достаточно большое количество энергии при небольшой ее себестоимости. Наибольшее число градиент-температурных электростанций располагается на морском побережье и для работы использует морскую воду. Почти 70% солнечной энергии поглощает мировой океан. Перепад же температур между водами на глубине в сотни метров и водами на поверхности океана – огромный источник энергии, который оценивается в 20-40 тыс. ТВт, из них можно использовать только 4 ТВт.     Недостатки: выделение большого числа углекислоты, нагрев и снижение давления глубинных вод, и остывание поверхностных вод. Данные процессы негативно влияют на климат, флору и фауну региона.     В настоящее время разрабатывается новая концепция таких энергетических установок, которая даёт основания ожидать от теплоэнергетического модуля эффективной работы не только в наиболее прогретой части тропического океана, но и по всей акватории, где средний градиент температуры составляет примерно 17ºС. Ожидается, что КПД будет отличным от нуля даже при разности температур, стремящейся к нулю. По предварительным расчётам расходы на строительство такой гидроэлектростанции вполне соотносятся с расходами на традиционную ГЭС. Рис. 5.47. Ветровые электростанции.     6) Ветровая энергетика     Человечество давно использует энергию ветра. Парусные суда – основной вид транспорта, который в течении столетий обеспечивал связь людей различных континентов, представляют наиболее яркий пример использования ветровой энергии.     Другой, хорошо известный пример эффективного использования ветровой энергии, – ветряные мельницы. Ветряки широко использовались для откачки воды из колодцев. В конце прошлого века наступил новый этап использования ветровых установок – они начали применяться для выработки электроэнергии. В тридцатые годы нашего века миллионы ветровых электрогенераторов мощностью около 1 кВт использовались в сельской местности Европы, Америки, Азии. По мере развития центрального электроснабжения распространение ветровых электрогенераторов резко упало. С ростом стоимости ископаемого топлива и осознания экологических последствий его применения надежды многих исследователей опять стали связываться с ветровой энергетикой.     Действительно ветровой потенциал огромен – около 2000 ТВт составляет мощность ветрового потока в атмосфере. Использование даже небольшой части этой мощности привело бы к решению энергетических проблем человечества.     Ветровая энергетика не потребляет ископаемое топливо, не использует воду для охлаждения и не вызывает теплового загрязнения водоемов, не загрязняет атмосферу. И, тем не менее, ветровые электрогенераторы имеют широкий спектр отрицательных экологических последствий, выявленных только после того, как в 1970 годы начался период возрождения ветровой энергетики.     Главные недостатки ветровой энергетики – низкая энергетическая плотность, сильная изменчивость в зависимости от погодных условий, ярко выраженная географическая неравномерность распределения ветровой энергии. Обычно рабочий диапазон скоростей ветра крупных ветровых установок составляет от 5 до 15 м/с. При скорости ветра меньшей 5 м/с эффективность работы установки падает, при скоростях ветра больших 15 м/с велика вероятность поломки конструкции, прежде всего лопастей. Размещение генераторов на больших высотах (там, где больше скорость) выдвигает повышенные требования к прочности конструкции высотных мачт, которые должны обеспечивать удержание при мощной ветровой нагрузке ротора, коробки передач и генератора. Разработка и создание более надежных конструкций значительно удорожает стоимость ветровых установок, хотя себестоимость ветровой электроэнергии примерно в 1.5-2 раза ниже себестоимости электроэнергии, полученной в фотоэлектрических преобразователях.     Еще одной важной проблемой использования ветровых генераторов являются сильные вибрации их несущих частей, которые передаются в грунт. Значительная часть звуковой энергии приходится на инфразвуковой диапазон, для которого характерно отрицательное воздействие на организм человека и многих животных.     Так как скорость вращения лопастей ветровых генераторов близка к частоте синхронизации телевидения ряда стран, то работа ветровых генераторов нарушает прием телепередач в радиусе 1-2 км от генератора. Ветровые генераторы являются также источниками радиопомех. Вращение лопастей ветровых генераторов губит птиц. Так как обычно ветровые установки располагаются в больших количествах в районах сильных ветров (хребты, морское побережье), то они могут приводить к нарушению миграции перелетных птиц. Модуляция ветрового потока лопастями создает некоторое подобие регулярных структур в воздухе, которые мешают ориентации насекомых. В Бельгии установили, что это приводит к нарушению устойчивости экосистем полей, расположенных в зоне ветровых установок, в частности наблюдается падение урожайности.     Наконец, ветровая энергетика требует больших площадей для размещения установок. Поэтому системы ветровых установок стараются размещать в безлюдной местности, что в свою очередь удорожает стоимость передачи энергии.     В настоящее время в мире начался период перехода от исследовательских работ в области ветровой энергетики к их широкому внедрению. Темпы развития ветровой энергетики в таких странах как США, Бельгия, Великобритания, Норвегия, имеющих высокий ветроэнергетический потенциал, остаются очень высокими. 7) Геотермальная энергетика Геотермальная энергия – это энергия, внутренних областей Земли, запасенная в горячей воде или водяном паре. В 1966 г. на Камчатке в долине реки Паужетка была пущена первая в СССР геотермальная тепловая станция мощностью 1,1 МВт. В отдаленных районах стоимость энергии, получаемой на геотермальных станциях, оказывается ниже стоимости энергии, получаемой из привозного топлива. Геотермальные станции успешно функционирует в ряде стран – Италии, Исландии, США. Первая в мире геотермальная электростанция была построена в 1904 г. в Италии. Геотермальная энергия в Исландии начала использоваться в 1944 г. Однако интерес и использование геотермальной энергии резко выросли в 60-70 годы. Рис.5.48. Схемы получения энергии за счет геотермальных ресурсов: А — использование сухого пара, Б — использование горячей воды, В — использование горячей воды путем нагревания рабочей жидкости.     В США в Калифорнии в начале 90 годов действовало около 30 станций общей мощностью 2400 МВт. Пар для этих станций извлекался с глубин от 300 до 3000 м. В этом штате США за 30 лет мощность геотермальных станций возросла почти в 200 раз. Таковы темпы развития геотермальной энергетики. Наиболее доступна геотермальная энергетика в зонах повышенной вулканической деятельности и землетрясений. Такая привязка к определенным районам является одним из недостатков геотермальной энергетики. Гейзеры – это хорошо известная форма поступления на поверхность Земли горячей воды и пара. По оценке Геологического управления США разведанные источники геотермальной энергии могли бы дать 5-6% современного потребления электроэнергии в стране. Оценка перспективных источников дает величину примерно в 10 раз большую. Однако эксплуатация некоторых этих источников пока нерентабельна. Наряду с этими ресурсами, которые могут быть использованы для выработки электроэнергии, в еще большем количестве имеется вода с температурой 90-1500С, которая пригодна как источник тепла для обогрева. В перспективе для извлечения энергии из недр Земли можно использовать не только запасы горячей воды и пара, но и тепло сухих горных пород (такие области сухих горных пород с температурой около 3000С встречаются значительно чаще, чем водоносные горячие породы), а также энергию магматических очагов, которые в некоторых районах расположены на глубинах в несколько километров.     Наиболее оптимальная форма – сухой пар. Прямое использование смеси пара и воды невозможно, т.к. геотермальная вода содержит обычно большое количество солей, вызывающих коррозию, и капли воды в паре могут повредить турбину. Наиболее частая форма поступления энергии – просто в виде горячей воды, прежде всего для получения тепла. Эта вода может быть использована также для получения пара рабочей жидкости, имеющей более низкую температуру кипения, чем вода. Так как геотермальный пар и вода имеют сравнительно низкую температуру и давление, КПД геотермальных станций не превышает 20%, что значительно ниже атомных (30%) и тепловых работающих на ископаемом топливе (40%).     Использование геотермальной энергии имеет и отрицательные экологические последствия. Строительство геотермальных станций нарушает «работу» гейзеров. Для конденсации пара на геотермальных станциях используется большое количество охлаждающей воды, поэтому геотермальные станции являются источниками теплового загрязнения. При одинаковой мощности с ТЭС или АЭС геотермальная электростанция потребляет для охлаждения значительно большее количество воды, т.к. ее КПД ниже. Сброс сильно минерализованной геотермальной воды в поверхностные водоемы может привести к нарушению их экосистем. В геотермальных вода в больших количествах содержится сероводород и радон, который вызывает радиоактивные загрязнения окружающей среды.

Какие примеры альтернативной энергетики?

Проблемы, связанные с использованием ископаемого топлива, особенно с точки зрения изменения климата, стали очень горячей темой в течение последних нескольких десятилетий.

Сегодня наблюдается общий сдвиг в сторону экологической осведомленности, и источники нашей энергии становятся предметом более пристального изучения. Снижение выбросов, цен на топливо и уровня загрязнения — все это преимущества, которые часто может обеспечить использование альтернативных видов топлива.Вот несколько примеров популярных альтернативных источников энергии.

1. Приливная энергия : Хотя приливная энергия использует энергию воды для выработки энергии, как и в случае с гидроэлектрическими методами, ее применение во многих случаях имеет больше общего с ветряными турбинами. Приливы обычно более предсказуемы и надежны, чем энергия ветра или солнца, и хотя это довольно новая технология, ее потенциал огромен.
2. Энергия ветра : энергия ветра становится все более популярной в последние годы.Он предлагает многие из тех же преимуществ, что и многие другие альтернативные источники энергии, поскольку в нем используются возобновляемые источники и не образуются отходы. Ветроэнергетика становится все более популярной, и в большинстве штатов страны в настоящее время в той или иной форме используются ветроэнергетические установки. К сожалению, эта форма выработки энергии может ограничивать обзор и может быть опасной для некоторых видов диких животных.
3. Геотермальная энергия : Геотермальная энергия — это извлечение энергии из земли вокруг нас. Он становится все более популярным и имеет большой потенциал, но при этом мало что делает, чтобы разрушить землю.Высокие первоначальные затраты на создание геотермальных электростанций привели к более медленному росту, чем можно было ожидать от столь многообещающего источника топлива.
4. Волновая энергия : Волновая энергия имеет преимущество перед приливной энергией, потому что они могут быть помещены в океан в различных ситуациях и местах. Это также более надежно, чем многие другие формы альтернативной энергии, подобные приливной энергии. Стоимость систем волновой энергии — вот что сдерживает рост популярности этого источника энергии.
5. Hydroelectric Energy : Самый распространенный тип гидроэлектростанции использует плотину на реке для хранения воды в резервуаре. Вода, выпущенная из резервуара, проходит через турбину, вращая ее, которая, в свою очередь, приводит в действие генератор для производства электроэнергии. Гидроэнергетика питается за счет воды, поэтому это чистый источник топлива, а это означает, что она не будет загрязнять воздух, как электростанции, сжигающие ископаемое топливо, такое как уголь или природный газ. Гидроэлектроэнергия — это внутренний источник энергии, позволяющий каждому штату производить собственную энергию, не полагаясь на международные источники топлива.
6. Солнечная энергия : Когда большинство людей думают об альтернативных источниках энергии, они обычно используют солнечную энергию в качестве примера. Солнечные технологии значительно развивались за эти годы и теперь используются для крупномасштабного производства энергии и выработки электроэнергии для отдельных домов. Этот источник энергии является полностью возобновляемым, и затраты на установку перевешиваются деньгами, сэкономленными на счетах за электроэнергию от традиционных поставщиков. Позвольте решениям SuperGreen от Charleston помочь вам на пути к использованию альтернативных источников энергии для сокращения выбросов углекислого газа.

невозобновляемые источники энергии | Национальное географическое общество

Большинство невозобновляемых источников энергии — это ископаемые виды топлива: уголь, нефть и природный газ. Углерод является основным элементом ископаемого топлива. По этой причине период образования ископаемого топлива (около 360-300 миллионов лет назад) называется каменноугольным периодом.

Все ископаемые виды топлива образуются аналогичным образом. Сотни миллионов лет назад, еще до появления динозавров, Земля имела другой ландшафт.Его покрывали широкое мелководье и болотистые леса.

На этих древних водно-болотных угодьях росли растения, водоросли и планктон. Они поглощали солнечный свет и создавали энергию посредством фотосинтеза. Когда они умирали, организмы перемещались на дно моря или озера. Когда они умирали, в растениях и животных сохранялась энергия.

Со временем мертвые растения были раздавлены морским дном. Поверх них скапливались камни и другой осадок, создавая под землей высокое тепло и давление.В этой среде остатки растений и животных в конечном итоге превращаются в ископаемое топливо (уголь, природный газ и нефть). Сегодня во всем мире есть огромные подземные резервуары (называемые резервуарами) этих невозобновляемых источников энергии.

Преимущества и недостатки

Ископаемое топливо — ценный источник энергии. Их добыча относительно недорога. Их также можно хранить, перекачивать по трубам или отправлять в любую точку мира.

Однако сжигание ископаемого топлива вредно для окружающей среды.При сжигании угля и нефти они выделяют частицы, которые могут загрязнять воздух, воду и землю. Некоторые из этих частиц улавливаются и откладываются в сторону, но многие из них выбрасываются в воздух.

Сжигание ископаемого топлива также нарушает «углеродный бюджет» Земли, который уравновешивает углерод в океане, земле и воздухе. Когда ископаемое топливо сжигается (нагревается), оно выделяет в атмосферу углекислый газ. Углекислый газ — это газ, удерживающий тепло в атмосфере Земли; этот процесс называется «парниковым эффектом».«Парниковый эффект необходим для жизни на Земле, но он зависит от сбалансированного углеродного бюджета.

Углерод в ископаемом топливе улавливается или хранится под землей в течение миллионов лет. Из-за удаления этого секвестрированного углерода с Земли и его выброса в атмосферу углеродный баланс Земли выходит из равновесия. Это способствует тому, что температура поднимается быстрее, чем организмы могут адаптироваться.

Уголь

Уголь — черная или коричневатая порода.Мы сжигаем уголь, чтобы получить энергию. Уголь ранжируется в зависимости от того, через какую степень «карбонизации» он прошел. Карбонизация — это процесс, через который древние организмы превращаются в уголь. Примерно 3 метра (10 футов) твердой растительности раздавлены на 0,3 метра (1 фут) угля!

Торф — это уголь самого низкого сорта. Он прошел наименьшую карбонизацию. Это важное топливо в различных регионах мира, включая Шотландию, Ирландию и Финляндию.

Антрацит — высший сорт угля.Антрацит образуется в регионах мира, где происходили гигантские движения земли, такие как образование горных хребтов. Аппалачи в восточной части Соединенных Штатов богаты антрацитом.

Мы добываем уголь из земли, чтобы сжигать его для получения энергии. Есть два способа добычи угля: подземная и открытая.

Подземная добыча используется, когда уголь находится ниже поверхности Земли, иногда на глубине 300 метров (1000 футов) — это глубже, чем у большинства Великих озер! Шахтеры спускаются на лифте в шахту.Они используют тяжелую технику, которая вырезает уголь из земли и поднимает его над землей. Это может быть опасная работа, потому что резка угля может выделять опасные газы. Газы могут вызвать взрывы или затруднить дыхание шахтеров.

Открытые разработки используются, когда уголь находится очень близко к поверхности земли. Чтобы добраться до угля, компании должны сначала очистить территорию. Они забирают деревья и землю. Тогда уголь будет легче вырезать из земли.При этом уничтожаются целые среды обитания.

Около половины электроэнергии в Соединенных Штатах вырабатывается из угля. Он дает питание нашим светильникам, холодильникам, посудомоечным машинам и многим другим устройствам, которые мы подключаем к электросети. Когда уголь сжигается, он оставляет «побочные продукты», которые также являются ценными. Мы используем побочные продукты для производства цемента, пластика, дорог и многого другого.

Преимущества и недостатки

Уголь — надежный источник энергии.Мы можем положиться на него днем ​​и ночью, летом и зимой, на солнце или дождь, чтобы обеспечить топливо и электричество.

Использование угля тоже вредно. Горное дело — одна из самых опасных профессий в мире. Шахтеры подвергаются воздействию токсичной пыли и сталкиваются с опасностями обрушения и взрывов на работе.

Когда уголь сжигается, он выделяет в атмосферу много токсичных газов и загрязняющих веществ. Добыча угля также может привести к провалу земли и возникновению подземных пожаров, которые горят десятилетиями.

Нефть

Нефть — это жидкое ископаемое топливо. Ее еще называют нефтью или сырой нефтью.

Нефть задерживается в подземных горных породах. Кое-где масло пузырится прямо из-под земли. На месторождении LaBrea Tar Pits в Лос-Анджелесе, штат Калифорния, большие лужи густой нефти пузыряются из-под земли. В гудроне до сих пор сохранились останки животных, пойманных здесь тысячи лет назад!

Большая часть мировой нефти все еще находится глубоко под землей.Мы просверливаем землю, чтобы получить доступ к нефти. Некоторые месторождения находятся на суше, а другие — под дном океана.

Когда нефтяные компании начинают бурение с помощью «буровой установки», они могут добывать нефть 24 часа в сутки, семь дней в неделю, 365 дней в году. Многие успешные нефтяные месторождения добывают нефть около 30 лет. Иногда они могут производить масло намного дольше.

Когда нефть находится под дном океана, компании ведут буровые работы на шельфе. Они должны построить нефтяную платформу.Нефтяные платформы — одни из самых больших искусственных сооружений в мире!

После того, как масло просверлено, его необходимо очистить. Нефть содержит много химикатов, помимо углерода, и очистка масла удаляет некоторые из этих химикатов.

Мы используем масло для многих вещей. Около половины мировой нефти перерабатывается в бензин. Остальное можно перерабатывать и использовать в жидких продуктах, таких как лак для ногтей и медицинский спирт, или в твердых продуктах, таких как водопроводные трубы, обувь, мелки, кровельные материалы, витаминные капсулы и тысячи других предметов.

Преимущества и недостатки

У бурения на нефть есть свои преимущества. Это относительно недорогое извлечение. Это также надежный и надежный источник энергии и денег для местного сообщества.

Oil предоставляет нам тысячи удобств. В виде бензина это портативный источник энергии, который дает нам возможность перемещаться по местам. Нефть также входит в состав многих предметов, от которых мы зависим.

Однако сжигание бензина вредно для окружающей среды. Он выделяет опасные газы и пары в воздух, которым мы дышим. Также существует вероятность разлива нефти. Если есть проблема с буровым оборудованием, нефть может взорваться из скважины и разлиться в океан или окружающую землю. Разливы нефти — это экологическая катастрофа, особенно разливы на море. Нефть плавает по воде, поэтому может выглядеть как пища для рыбной ловли и портить перья птиц.

Природный газ

Природный газ — еще одно ископаемое топливо, которое находится под землей в резервуарах.В основном он состоит из метана. Возможно, вы раньше чувствовали запах метана. Разлагающийся материал на свалках также выделяет метан, который пахнет тухлыми яйцами.

Под землей столько природного газа, что его измеряют в миллионах, миллиардах или триллионах кубических метров.

Природный газ находится в залежах на глубине нескольких сотен метров под землей. Чтобы добыть природный газ из-под земли, компании ведут бурение прямо вниз. Однако в больших открытых карманах природный газ не образуется.Природный газ задерживается в горных породах, которые могут простираться на километры.

Для получения природного газа некоторые компании используют процесс, называемый «гидроразрыв пласта» или гидроразрыв пласта. Hydraulic означает, что они используют воду, а разрушение, означает «разделение на части». В процессе используется вода под высоким давлением, чтобы расколоть скалы под землей. Это высвобождает природный газ, который задерживается в горных породах. Если порода слишком твердая, они могут направить кислоту в колодец, чтобы она растворилась.Они также могут использовать крошечные зерна стекла или песка, чтобы подпереть скалу и выпустить газ.

Мы используем природный газ для отопления и приготовления пищи. Природный газ также можно сжигать для выработки электроэнергии. Мы полагаемся на природный газ в качестве источника энергии для освещения, телевизоров, кондиционеров и кухонных приборов в наших домах.

Природный газ также можно превратить в жидкую форму, называемую сжиженным природным газом (СПГ). СПГ намного чище, чем любое другое ископаемое топливо.

Сжиженный природный газ занимает гораздо меньше места, чем газообразная форма.Количество природного газа, которое поместилось бы в большой пляжный мяч, поместилось бы в мяч для пинг-понга в виде жидкости! СПГ можно легко хранить и использовать для разных целей. СПГ может даже заменить бензин.

Преимущества и недостатки

Добыча природного газа относительно недорога и является «более чистым» ископаемым топливом, чем нефть или уголь. Когда сжигается природный газ, он выделяет только углекислый газ и водяной пар (это те же самые газы, которые мы выдыхаем, когда выдыхаем!). Это полезнее, чем сжигание угля.

Однако добыча природного газа может вызвать экологические проблемы. Разрушение горных пород может вызвать мини-землетрясения. Вода под высоким давлением и химикаты, вытесняемые под землю, также могут просачиваться в другие источники воды. Источники воды, используемые для питья или купания, могут стать загрязненными и небезопасными.

Прочие невозобновляемые источники энергии

Ископаемые виды топлива являются ведущими невозобновляемыми источниками энергии во всем мире.Однако есть и другие.

Атомная энергия

Ядерная энергия обычно считается еще одним невозобновляемым источником энергии. Хотя ядерная энергия сама по себе является возобновляемым источником энергии, материалы, используемые на атомных электростанциях, не являются.

Ядерная энергия собирает мощную энергию в ядре или ядре атома. Ядерная энергия высвобождается в результате ядерного деления, процесса, при котором ядро ​​атома расщепляется.Атомные электростанции — это сложные машины, которые могут контролировать ядерное деление для производства электроэнергии.

Материалом, наиболее часто используемым на атомных электростанциях, является элемент уран. Хотя уран находится в горных породах по всему миру, на атомных электростанциях обычно используется очень редкий тип урана — U-235. Уран — невозобновляемый ресурс.

Атомная энергия — популярный способ производства электроэнергии во всем мире. Атомные электростанции не загрязняют воздух и не выделяют парниковые газы.Они могут быть построены в сельской или городской местности и не разрушают окружающую среду.

Однако ядерную энергию сложно добыть. Атомные электростанции очень сложны в строительстве и эксплуатации. Во многих сообществах нет ученых и инженеров для разработки безопасной и надежной программы ядерной энергетики.

Ядерная энергия также производит радиоактивные материалы. Радиоактивные отходы могут быть чрезвычайно токсичными, вызывая ожоги и повышая риск рака, болезней крови и разрушения костей у людей, подвергающихся их воздействию.

Энергия биомассы

Энергия биомассы зависит от сырья биомассы — растений, которые перерабатываются и сжигаются для производства электроэнергии. Сырье для биомассы может включать такие культуры, как кукуруза или соя, а также древесина. Если люди не пересаживают сырье биомассы так быстро, как они его используют, энергия биомассы становится невозобновляемым источником энергии.

Определение возобновляемых ресурсов

Что такое возобновляемый ресурс?

Возобновляемый ресурс — это ресурс, который можно использовать многократно, и он не исчерпывается, потому что заменяется естественным образом.Примеры возобновляемых ресурсов включают солнечную, ветровую, гидро-, геотермальную энергию и энергию биомассы.

Ключевые выводы

• Спрос на возобновляемые ресурсы растет, поскольку человеческое население продолжает расти.
• Энергия из возобновляемых источников снижает нагрузку на ограниченные запасы ископаемого топлива, которые считаются невозобновляемыми ресурсами.
• Использование возобновляемых ресурсов в больших масштабах требует больших затрат, и необходимы дополнительные исследования, чтобы их использование было рентабельным.

Общие сведения о возобновляемых ресурсах

По сути, возобновляемые ресурсы — это товар, запасы которого бесконечны. Некоторые ресурсы, в отличие от солнца, ветра или воды, считаются возобновляемыми, несмотря на то, что для их восстановления необходимо время или усилия. Большинство драгоценных металлов также являются возобновляемыми. Хотя драгоценные металлы не заменяются естественным образом, их можно переработать, поскольку они не разрушаются во время добычи и использования.

В отличие от возобновляемых ресурсов, когда невозобновляемый ресурс истощен, его нельзя восстановить.Поскольку человеческое население продолжает расти, а конечные ресурсы становятся все более дефицитными, спрос на возобновляемые ресурсы возрастает.

Биотопливо

Биотопливо, или энергия, полученная из возобновляемых органических продуктов, в последние годы приобрело распространение в качестве источника энергии, альтернативного невозобновляемым ресурсам, таким как уголь, нефть и природный газ. Хотя цены на биотопливо по-прежнему выше, некоторые эксперты прогнозируют, что из-за растущего дефицита и сил спроса и предложения цены на ископаемое топливо будут расти все выше и выше, что сделает цену биотоплива более конкурентоспособной.

Однако цены на ископаемое топливо имеют тенденцию к снижению, отчасти из-за технологических достижений в производстве ископаемого топлива. Покупателям сырьевых товаров и лицам, определяющим политику, необходимо постоянно учитывать такие влияния при прогнозировании будущих изменений цен.

Пандемия COVID-19 только усугубила тенденцию к снижению цен на ископаемое топливо из-за рекордно низкого потребления в 2020 году.

Типы биотоплива включают биодизель, альтернативу маслу, и зеленое дизельное топливо, которое производится из водорослей и других растений.Другие возобновляемые ресурсы включают кислород и солнечную энергию. Ветер и вода также используются для создания возобновляемой энергии. Например, ветряные мельницы используют естественную силу ветра и превращают ее в энергию.

Глобальная тенденция к возобновляемым ресурсам

Возобновляемые ресурсы стали центром экологического движения как в политическом, так и в экономическом плане. Энергия, полученная из возобновляемых ресурсов, значительно снижает нагрузку на ограниченные запасы ископаемого топлива, которое является невозобновляемым ресурсом.Проблема с использованием возобновляемых ресурсов в больших масштабах заключается в том, что они дороги и, в большинстве случаев, необходимы дополнительные исследования для того, чтобы их использование было рентабельным.

Помимо ограниченного предложения, источники энергии, такие как ископаемое топливо, при сжигании наносят ущерб окружающей среде и способствуют глобальному потеплению. Первым крупным международным соглашением по ограничению выбросов углекислого газа и глобального потепления стал Киотский протокол, подписанный в 1997 году. Совсем недавно в Париже в 2015 году представители мировых держав встретились, чтобы объявить о сокращении выбросов и сосредоточить внимание на более широком использовании возобновляемых источников энергии.

Существует множество стимулов, направленных на поощрение использования альтернативной энергии. Например, налоги на энергию устанавливают надбавку на ископаемое топливо, чтобы цены на возобновляемые ресурсы были более конкурентоспособными, и люди были более склонны к использованию возобновляемой энергии. Зеленые фонды, инвестиционные механизмы, такие как паевые инвестиционные фонды, поддерживают экологически чистые и устойчивые компании, инвестируя в них и помогая повышать экологическую осведомленность.

Эти стимулы, похоже, дают эффект.По данным Управления энергетической информации США (EIA), в 2020 году возобновляемая энергия обеспечила примерно 11,6 квадриллионов британских тепловых единиц (БТЕ). (Один квадриллион равен 1, за которым следуют 15 нулей.) Это количество энергии составляет 12% от общего потребления энергии в США. Электроэнергетический сектор потреблял около 56% возобновляемой энергии в США в 2020 году, и примерно 20% электроэнергии в США было произведено из возобновляемых источников энергии.

Правительства штатов и федеральное правительство способствовали увеличению потребления биотоплива путем введения требований и стимулов для использования возобновляемых источников энергии.EIA ожидает, что потребление возобновляемой энергии в США продолжит расти до 2050 года.

Что такое Киотский протокол?

Киотский протокол — это международное соглашение, направленное на сокращение выбросов углекислого газа (CO2) и присутствия парниковых газов (ПГ) в атмосфере. Основной принцип Киотского протокола заключался в том, что промышленно развитые страны должны уменьшить количество своих выбросов CO2. Протокол был принят в Киото, Япония, в 1997 году, когда парниковые газы быстро угрожали нашему климату, жизни на Земле и самой планете.

Что такое Парижское климатическое соглашение?

Парижское климатическое соглашение — это соглашение между лидерами более 180 стран о сокращении выбросов парниковых газов и ограничении роста глобальной температуры до уровня ниже 2 градусов по Цельсию (3,6 по Фаренгейту) по сравнению с доиндустриальным уровнем к 2100 году. В идеале, соглашение направлено на чтобы температура не превышала 1,5 градуса по Цельсию (2,7 по Фаренгейту). 20 января 2021 года президент Джо Байден подписал указ о том, что США вновь присоединятся к Парижскому соглашению после того, как администрация Трампа вышла из него.4 августа 2020 г.

Что делается для поощрения использования возобновляемых ресурсов?

Существует множество стимулов, направленных на поощрение использования альтернативной энергии. Например, налоги на энергию устанавливают надбавку на ископаемое топливо, чтобы цены на возобновляемые ресурсы были более конкурентоспособными, и люди были более склонны к использованию возобновляемой энергии. Зеленые фонды, инвестиционные механизмы, такие как паевые инвестиционные фонды, поддерживают экологически чистые и устойчивые компании, инвестируя в них и помогая повышать экологическую осведомленность.

Традиционная энергия — обзор

1 Введение

Традиционные источники энергии, основанные на нефти, угле и природном газе, оказались очень эффективными двигателями экономического прогресса, но в то же время наносят ущерб окружающей среде и здоровью человека. Кроме того, экономика, основанная на ископаемом топливе, имеет тенденцию к циклическому характеру из-за влияния олигополии на производство и распределение. Традиционные источники энергии на основе ископаемого топлива сталкиваются с растущим давлением на множестве экологических направлений, и, возможно, самой серьезной проблемой, стоящей перед будущим использованием угля, являются цели по сокращению выбросов парниковых газов (ПГ) Киотского протокола.Теперь ясно, что любые усилия по поддержанию уровней CO ₂ в атмосфере ниже даже 550 ppm не могут основываться на глобальной экономике, основанной на нефти и угле, без радикальных усилий по связыванию углерода.

Потенциал возобновляемых источников энергии огромен; у них есть потенциал для многократного удовлетворения мирового спроса на энергию. Возобновляемые источники энергии, такие как биомасса, ветер, солнечная энергия, гидроэнергетика и геотермальная энергия, могут обеспечивать устойчивые энергетические услуги, основанные на использовании обычно доступных местных ресурсов.Все более вероятным становится переход к будущему с использованием возобновляемых источников энергии. Стоимость систем солнечной и ветровой энергии существенно снизилась за последние 30 лет и продолжает снижаться, в то время как цены на нефть и газ продолжают колебаться. Цены на возобновляемые источники энергии, а также социальные и экологические издержки использования ископаемого топлива движутся в противоположных направлениях. Кроме того, экономические и политические механизмы, необходимые для поддержки широкого распространения и устойчивых рынков возобновляемых источников энергии, также быстро развивались.Становится очевидным, что будущий рост в энергетическом секторе в первую очередь связан с новым режимом возобновляемых (и в некоторой степени на основе природного газа) систем, а не с использованием традиционных источников нефти и угля. Финансовые рынки начинают осознавать будущий потенциал роста возобновляемых источников энергии и других новых энергетических технологий, и это, вероятно, является предвестником экономической реальности действительно конкурентоспособных систем возобновляемой энергии.

Системы возобновляемых источников энергии обычно основаны на маломасштабной децентрализованной парадигме, которая по своей природе способствует, а не противоречит многим вопросам распределения электроэнергии, когенерации (комбинированное производство тепла и электроэнергии), окружающей среды и капитальных затрат.В качестве альтернативы индивидуальному заказу, строительство на месте централизованных электростанций, возобновляемых систем на основе фотоэлектрических (PV) массивов, ветряных мельниц, биомассы или малых гидроэнергетических установок можно рассматривать как массовые «энергетические приборы», которые можно производить с низкими затратами и адаптированы к конкретным энергетическим нагрузкам и условиям эксплуатации. Эти системы могут значительно уменьшить, а также широко рассредоточенные воздействия на окружающую среду, а не более масштабные и централизованные воздействия, которые в некоторых случаях вносят серьезный вклад в загрязнение окружающего воздуха, кислотные дожди и глобальное изменение климата.

Возобновляемые источники энергии в настоящее время обеспечивают от 15 до 20% общемирового спроса на энергию. В предложении преобладает традиционная биомасса, в основном топливная древесина, используемая для приготовления пищи и отопления, особенно в развивающихся странах Африки, Азии и Латинской Америки. Большой вклад также дает использование крупных гидроэнергетических систем, при этом почти 20% мирового электроснабжения обеспечивается этим источником. Новые возобновляемые источники энергии (солнечная энергия, энергия ветра, современная биоэнергетика, геотермальная энергия и малая гидроэнергетика) в настоящее время составляют около 2%.В ряде сценарных исследований изучается потенциальный вклад возобновляемых источников энергии в мировые поставки энергии, что указывает на то, что во второй половине 21 века их вклад может варьироваться от нынешних почти 20% до более чем 50% при правильной политике в области энергоснабжения. место.

Изучите возобновляемые источники энергии с помощью онлайн-курсов и уроков

Что такое возобновляемая энергия?

Возобновляемая энергия — это энергия, которую можно производить и использовать без истощения источника. Примеры включают энергию, полученную из движущейся воды (гидроэнергетика), энергия ветра, тепла Земли (геотермальная энергия) и солнца (солнечная энергия).Энергия, полученная при сжигании угля, нефти или урана, не считается возобновляемой, поскольку это ограниченные ресурсы. Например, уголь, хотя и встречается в природе, на его образование потребовались сотни миллионов лет, и поэтому он не считается возобновляемым в человеческом масштабе времени.

Онлайн-курсы и программы по возобновляемым источникам энергии

Получите представление об устойчивой и альтернативной энергетике на онлайн-курсах, которые проводятся крупными университетами и учреждениями по всему миру. Edx предлагает как индивидуальные курсы, так и продвинутые программы, разработанные, чтобы помочь вам узнать о возобновляемых источниках энергии, технологиях и производстве в увлекательной и эффективной среде онлайн-обучения с видеоуроками, викторинами и многим другим.

Кроме того, edX предлагает возможность получить проверенные сертификаты на курсах по возобновляемым источникам энергии. В сертификате указан edX и название университета или учреждения, предлагающего курс, и его можно загрузить в ваш профиль LinkedIn. Это доказательство того, что вы успешно прошли курс для работодателей и других лиц. Начните работу с возобновляемыми источниками энергии с одного из следующих курсов или программ.

«Устойчивая энергетика: проектируйте возобновляемое будущее» от TU Delft, Нидерланды, предлагает отличное введение в производство энергии будущего.Студенты узнают о потенциале перехода к возобновляемым источникам энергии, таким как ветер и солнце. По завершении этого 9-недельного курса студенты смогут разработать план полностью устойчивой энергетической системы.

Солнечная энергия, курс для самостоятельного обучения от Технического университета Делфта в Нидерландах, дает отличное введение в технологию преобразования солнечной энергии в электричество. Узнайте о различных способах преобразования солнечной энергии в электричество, тепло и солнечное топливо. Узнайте, как работает фотоэлектрическое преобразование, как измерить производительность солнечных панелей и систем солнечной энергии, а также получите обзор новейших технологий солнечных элементов.

Изучите другие бесплатные онлайн-курсы по возобновляемым источникам энергии. Многие курсы предназначены для самостоятельного изучения, поэтому вы можете записаться на них и начать обучение уже сегодня.

Какие примеры возобновляемых ресурсов?

Термин «возобновляемые ресурсы» может использоваться неправильно для описания многих типов энергетических систем, но самое основное определение состоит в том, что это энергия, созданная с использованием природных ресурсов, которые совершенно неисчерпаемы.

Использование возобновляемых источников энергии чрезвычайно важно для нашего общества, поскольку мы переходим к менее зависимому от ископаемого топлива миру, чтобы уменьшить последствия изменения климата.

Что такое возобновляемые ресурсы?

Возобновляемая энергия принимает различные формы, в том числе один из самых известных примеров: солнечная энергия. Это энергия, получаемая от солнца, энергия которого не будет исчерпана в нашей жизни. С другой стороны, невозобновляемый источник энергии, такой как нефть, формируется за миллионы лет, и как только он будет выкопан, у нас не будет его больше в течение миллионов лет.

Использование возобновляемых источников энергии расширяется из года в год, поскольку мир продолжает осознавать свои преимущества в борьбе с глобальным потеплением.Кроме того, стоимость возобновляемых ресурсов продолжает снижаться, что делает это сейчас более осуществимым, чем когда-либо прежде.

Фактически, с 2010 года стоимость солнечной энергии снизилась на 80%, а энергия ветра — на 40%, что сделало оба варианта дешевле, чем уголь.

Пять лучших примеров возобновляемых ресурсов

Солнечные и крупные ветряные электростанции, вероятно, являются наиболее известными возобновляемыми источниками, но в структуре энергетики США есть и другие типы.

Примеры возобновляемых источников энергии включают:

• Солнечная энергия
• Энергия ветра
• Геотермальная энергия
• Гидроэнергетика
• Биоэнергетика

Большинство из вышеперечисленных вариантов непрактично для дома, но могут успешно использоваться в коммунальных и других крупномасштабных операциях.Например, для вас более практично питать свой дом солнечными батареями, чем ветряной турбиной, тогда как ветряная электростанция — отличный способ обеспечить энергией весь район.

Важно отметить, что каждый возобновляемый источник энергии имеет свой уникальный набор проблем. Но с каждым источником энергии есть способы улучшить их производство, которые мы обсудим ниже.

Солнечная энергия

Солнечная энергия относится к категории «возобновляемых источников энергии», поскольку панели могут вырабатывать энергию в течение многих лет, просто поглощая солнечный свет.После того, как солнечные панели изготовлены и установлены, все, что они делают, — это они сидят и вырабатывают энергию.

Использование солнечной энергии — наиболее практичный вариант возобновляемой энергии для домовладельцев. Вы можете подключить фотоэлектрические солнечные панели к своей крыше и отрегулировать размер вашей системы в зависимости от количества энергии, необходимой вашему дому.

Одна из проблем с солнечными панелями заключается в том, что в конце их жизненного цикла, который обычно составляет 25-30 лет, их необходимо утилизировать, а в настоящее время нет эффективного способа сделать это.

Узнать больше : Плюсы и минусы солнечной энергии

Энергия ветра

Энергия ветра практична, если у вас есть ферма и вы производите достаточно энергии ветра, которую затем можно продать коммунальным предприятиям. Вам понадобится большой участок земли, сильный ветер в вашем районе и возможность оплатить высокую стоимость установки.

Ветряные электростанции — отличный способ использовать чистую энергию, но они должны быть очень хорошо продуманы. Основным недостатком окружающей среды является тот факт, что они могут нанести вред моделям миграции животных, особенно в воде; турбины излучают слабый электрический ток, который может сбить с толку рыбу и других животных, плавающих рядом с ними.Однако хорошая новость заключается в том, что после попадания в окружающую среду животные смогут адаптироваться.

Узнать больше : Плюсы и минусы ветроэнергетики

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия, пожалуй, самый неиспользуемый возобновляемый ресурс. Геотермальная энергия работает с использованием геотермальных тепловых насосов, которые используют тепло ядра земли для выработки электроэнергии.

Геотермальную энергию проще всего использовать в районах с очень активными тектоническими плитами и вулканической активностью, таких как Исландия или западное побережье США.S. В этих местах много движения под землей, и тепло земли выходит на поверхность. Вы можете увидеть примеры этого с гейзерами, когда они выпускают в воздух пар, который представляет собой тепло, исходящее от ядра Земли. Это тепло используется для производства геотермальной энергии.

Обратной стороной геотермальной энергии является ее стоимость — она ​​еще не может конкурировать с более дешевыми источниками возобновляемой энергии, такими как солнце и ветер. Создавать геотермальные растения и копать достаточно глубоко, чтобы добраться до самой жаркой части земли, очень дорого.

Узнать больше : Плюсы и минусы геотермальной энергии

Гидроэнергетика

Вы можете представить себе гидроэнергетику, представив старые водяные колеса, которые использовались для питания мукомольных заводов. Теперь это гораздо более крупные и сложные гидроэлектрические генераторы.

Подумайте о плотине Гувера в Неваде: гидроэнергетика работает, используя энергию воды, которая течет через станцию, приводя в действие турбины для производства энергии.

Известно, что строительство гидроэлектростанций приводит к перемещению местного населения, препятствует миграции популяций рыб и усугубляет засуху, удерживая больше воды вверх по течению, чтобы население, находящееся ниже по течению, получало меньше.

Но когда это делается экологически безопасным и правильно управляемым способом, гидроэнергетика становится прекрасным источником энергии. Если не будет засухи, вода будет течь всегда и ее можно будет полностью возобновить.

Узнать больше : Плюсы и минусы гидроэнергетики

Биоэнергетика

Биоэнергетика — это общий термин для источников энергии, получаемых из растительного сырья. Например, кукуруза может использоваться для производства этанола, типа биотоплива, который затем используется в качестве топлива для автомобилей или самолетов.

Еще одно применение биоэнергетики — древесные гранулы, также называемые энергией биомассы или энергией, полученной из органических материалов. Древесные пеллеты получают из деревьев, которые затем сжигают на электростанциях. Поскольку топливо производится из растений, оно технически возобновляемо — растения можно пересаживать и выращивать год за годом.

Биоэнергетика может оказаться неустойчивой, если деревья будут вырублены слишком быстро, прежде чем они смогут восстановиться. Биомасса основана на предположении, что растения, которые выращивают для превращения в энергию, также удаляют углерод, который они выделяют в атмосферу при сжигании.

Для обеспечения устойчивости этого процесса необходимо посадить больше деревьев, чем вырубить, чтобы обеспечить удаление СО2 с большей скоростью, чем его выбросы.

Узнать больше : Плюсы и минусы энергии биомассы

Что такое невозобновляемые ресурсы?

Невозобновляемые источники энергии обычно называют «ископаемым топливом», потому что они фактически сделаны из окаменелостей животных и растений, которые разлагаются миллионы лет.Что делает эти ресурсы невозобновляемыми, так это тот факт, что после их использования новые запасы не будут создаваться в течение миллионов лет. Следовательно, они не будут обновляться .

Наиболее распространенные невозобновляемые ресурсы:

• Природный газ
• Нефть / нефть
• Уголь
• Атомная энергетика

Природный газ

Природный газ, который часто называют более экологически чистым топливом, по-прежнему выделяет углекислый газ.Двуокись углерода — чрезвычайно вредный побочный продукт, поскольку он улавливает в атмосфере согревающее тепло земли. Кроме того, становится все сложнее раскапывать его, что делает его еще более дешевым и «чистым» ресурсом.

Масло

Нефть используется для многих целей, от авиационного топлива до отопления домов. Хотя нефть и уголь помогли продвинуть промышленную революцию, они также могут отправить нас в совершенно новый мир стресса, если изменение климата останется неконтролируемым.

Уголь

Уголь, излюбленный в мире источник энергии, сильно загрязняющий окружающую среду, используется во всем мире, потому что исторически он был надежно дешевым и его легко выкопать.К счастью, возобновляемые источники энергии начинают дешеветь, чем уголь.

Атомная энергетика

Часто ядерная энергия считается возобновляемым ресурсом. Но технически это всего лишь источник энергии с нулевым выбросом углерода. Хотя это правда, что ядерная реакция, которая происходит с образованием энергии, может существовать годами, прежде чем завод станет слишком старым, на этом пути образуется огромное количество радиоактивных отходов.

Кроме того, ядерной энергетике необходим источник воды для постоянного охлаждения реакторов, в результате чего образуются радиоактивные сточные воды.Радиоактивные сточные воды загрязняют источники воды, что может привести к появлению небезопасной питьевой воды или рыбы, которую нельзя есть, потому что в них слишком много радиации.

Высокий уровень радиации может привести к раку у человека.

Узнать больше : Плюсы и минусы атомной энергетики

Сколько вы можете сэкономить с солнечной батареей?

Почему мы должны использовать возобновляемые ресурсы?

Невозобновляемые ресурсы, такие как газ, нефть и уголь, являются основными факторами изменения климата.Когда ископаемое топливо сжигается для использования в качестве источника энергии, оно выбрасывает в атмосферу ряд загрязняющих веществ, от твердых частиц до двуокиси углерода (CO2), парникового газа, улавливающего тепло.

CO2 действительно образуется в атмосфере естественным образом, и, по сути, это то, что поддерживает на Земле благоприятную температуру. Но когда в атмосфере слишком много CO2, слишком много солнечного тепла задерживается в атмосфере и вызывает каскадные эффекты на климат.

Обществу в целом необходимо внести множество изменений, чтобы предотвратить наихудшие последствия изменения климата, но одним из первых шагов является переход на полностью возобновляемые ресурсы.

Использование возобновляемых источников энергии увеличивается

Медленно, но верно США начинают внедрять больше возобновляемых источников энергии, отчасти из-за снижения их стоимости.

Источник: EIA

В настоящее время на все возобновляемые источники энергии приходится только 12% потребления энергии в США, но, по прогнозам, к 2050 году эта цифра вырастет до 42%, а по данным Управления энергетической информации США (EIA), солнечная энергия, по прогнозам, станет крупнейшим возобновляемым источником энергии. источник в 2050 году.

Будущее возобновляемых источников энергии

Несмотря на то, что мир еще не совсем понял лучший способ сделать возобновляемую энергию идеальным, это лучший способ сократить углеродный след человечества. Переход на возобновляемые источники энергии необходим для уменьшения количества CO2 в атмосфере и уменьшения загрязнения воздуха.

Хорошая новость заключается в том, что стоимость возобновляемой энергии снижается, и все больше коммунальных предприятий и домовладельцев выбирают варианты возобновляемой энергии.У коммунальных предприятий есть много способов использовать возобновляемые ресурсы, такие как солнечные фермы, ветряные электростанции, геотермальные электростанции, гидроэнергетика и биоэнергетика.

Но если вы домовладелец и хотите отвечать за собственное производство возобновляемой энергии, панели на крыше могут предоставить вам такую ​​возможность. Солнечные батареи на крыше — это самый эффективный способ сэкономить деньги и позволить вести более экологичный образ жизни.

Узнайте, сколько будут стоить солнечные батареи для вашего дома

Ищете списки плюсов и минусов для других типов источников энергии?

Основные выводы

• Возобновляемые ресурсы восполняются естественным образом и могут использоваться для получения энергии в виде энергии ветра и солнца.
• Невозобновляемые ресурсы, такие как ископаемое топливо, по-прежнему являются наиболее доминирующими источниками энергии, но становится дешевле строить и эксплуатировать электростанции, работающие на возобновляемых источниках энергии.
• Возобновляемые источники энергии не только дешевле, но и лучше для окружающей среды, потому что они не производят удерживающего тепло, вызывающего изменение климата CO2, в отличие от ископаемого топлива.

Наши источники энергии, гидроэнергетика — Национальные академии

Гидроэлектростанция

На протяжении десятилетий гидроэнергетика была основным возобновляемым источником энергии в Соединенных Штатах. В 2015 году гидроэнергетика составляла около 6% от общего объема производства электроэнергии в США и 46% от всех возобновляемых источников энергии. Управление энергетической информации США прогнозирует, что производство обычной гидроэлектроэнергии вырастет более чем на 20% в течение следующих 25 лет — с 246 миллиардов кВтч в 2015 году до 296 миллиардов кВтч в 2040 году.

В 2014 году выработка электроэнергии из других возобновляемых источников впервые превысила выработку гидроэнергии. Ожидается, что в течение следующей четверти века солнечная энергия вырастет примерно на 11.7% в год и ветроэнергетика на 3,7% в год. В 2013 году вступили в силу новые законы, направленные на повышение эффективности объектов и изменение правил, касающихся малых гидроэлектростанций.

В 2015 году гидроэнергетика составляла около 6% от общего объема производства электроэнергии в США и 46% от всех возобновляемых источников энергии.

Гидроэнергетика зависит от наличия подходящих водных путей, и сооружения на многих из них уже созданы. В Соединенных Штатах насчитывается около 2200 гидроэлектростанций, большая часть которых расположена на Западе.Вашингтон, Орегон и Калифорния представляют три штата с наибольшим объемом производства.

Однако явной нехватки ресурсов нет. Исследование Министерства энергетики США, проведенное в 2014 году, показало, что, не считая участков на территории, находящейся под федеральной защитой, Соединенные Штаты имеют примерно 65 гигаватт гидроэнергетического потенциала на водных путях, которые в настоящее время не имеют дамб или водозаборных сооружений. Но стоимость строительства гидроэлектростанций высока по сравнению со многими другими возобновляемыми или ископаемыми источниками топлива.

Есть несколько преимуществ, которые делают гидроэнергетику привлекательной. Например, в отличие от других возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце, гидроэнергетика не является прерывистой.

Но, как и у любого источника энергии, у него есть свои недостатки. Преобладающей среди них является обеспокоенность тем, что перекрытие рек и ручьев может нанести ущерб местным экосистемам как выше, так и ниже по течению от гидроэлектростанции, изменяя среду обитания растений, рыб и животных. Например, лосось должен плыть вверх по течению к нерестилищам, чтобы размножаться, но плотины гидроэлектростанций преграждают им путь.В некоторых случаях предпринимались попытки построить «рыбные лестницы», которые позволили бы лососю перепрыгивать через ряд небольших ступенек мимо гидроэлектростанций. С другими негативными воздействиями на экосистему по-прежнему труднее бороться. Кроме того, объем водохранилища уязвим для засух и потенциальных последствий изменения климата.

Будущие гидроэнергетические технологии могут включать устройства, которые могут использовать энергию волн, приливов, океанских течений и морских термальных градиентов. Однако попытки освоить обширные участки океана или прибрежных проливов и заливов для сбора энергии натолкнутся на серьезные социальные или экономические препятствия (например,g., укоренившееся использование, такое как рыболовство и морские пути или экологически уязвимые районы), а также технологии, материалы и инженерные вопросы (например, близость к коммунальной инфраструктуре, живучесть).

Однако в настоящее время вклад таких технологий в нашу систему энергоснабжения крайне невелик. Тем не менее, перспектива расширения наших гидроэнергетических ресурсов за счет включения этих дополнительных возобновляемых, непрерывных и свободных от выбросов источников энергии остается весьма привлекательной.

.