voicesoft.ruВозобновляемые и невозобновляемые источники энергии. ТОП-10 нестандартных источников альтернативной энергии. Описание и принципы их работы.
Что такое возобновляемые источники энергии
В последние годы наблюдается значительное развитие альтернативных источников энергии. Она представлена широким спектром возобновляемых источников энергии (ВИЭ), которые постоянно обновляются.
Фраза возобновляемые источники энергии относится к определенным формам энергии, получаемой естественным путем в результате природных процессов, происходящих на поверхности Земли.
Они условно разделены на классы возобновляемые и невозобновляемые:
К первому классу относятся источники, имеющие неисчерпаемые по человеческим меркам источники энергии. Они постоянно пополняются естественным путем по мере того, как планета проходит через цикл.
Второй класс представлен невозобновляемыми природными ресурсами, к которым относятся газ, нефть, уголь, уран. Они относятся к энергоресурсам, которые со временем уменьшаются, и не обновляются до своих прежних размеров.
Возобновляемая энергия обеспечивается за счет ресурсов, включающих солнечный свет, поток воды, приливы и геотермальное тепло. Их обновлению способствует естественный круговорот воды, цикличность которого зависит от времени года. Это явление способствует постоянному естественному восполнению энергии. Уже сейчас на ВИЭ может приходиться 1/4 всей энергии, вырабатываемой на планете.
Основным потребителем возобновляемых источников энергии является Европейский Союз. В некоторых странах альтернативная энергетика производит почти 40% всей электроэнергии. Там уже введены различные меры поддержки: снижены тарифы на подключение и возмещены расходы на приобретение оборудования. Восточные страны и США не сильно отстают.
Сколько электроэнергии в мире производится из возобновляемых источников энергии?
Гринпис давно пытается убедить человечество перейти на возобновляемые источники энергии. К 2030 году возобновляемые источники энергии могут стать основным поставщиком электроэнергии на планете (предположительно 94%), сократив потребление угля.
В экономике ВИЭ учитывается понятие эффективности, т.е. количество исходной энергии, которое может быть преобразовано в механическую работу (для производства электроэнергии). Эффективность воды определяется значением 0,7; ветра - 0,4; тепла и солнечного излучения - до 0,3; биоматериалов - до 0,3.
Что такое невозобновляемая энергия
Невозобновляемая энергия это термин для обозначения энергоресурса, который после его потребления не может быть восстановлен человеком или природой за полезный период времени.
Эти источники энергии ограничены, а уровень их производства очень низок. Примерами невозобновляемых источников энергии являются уголь, нефть, торф и атомная энергия. Невозобновляемые источники энергии (топливо, природный газ, уголь и т.д.) очень удобны для удовлетворения наших энергетических потребностей, но у нас ограничены запасы на Земле.
Ископаемые виды топлива, такие как нефть, уголь и природный газ, являются примерами невозобновляемых источников энергии, потому что однажды они закончатся. Аналогичным образом, ядерная энергия (уран) также является одним из видов невозобновляемой энергии. Уран производит более эффективную и дешевую энергию, чем ископаемое топливо, но его труднее перерабатывать, а отходы от его использования представляют большую опасность для человека.
Самой большой проблемой при использовании невозобновляемых источников энергии является то, что уровень потребления этих источников значительно превышает уровень их производства. На их добычу уходят миллиарды лет, но мы можем потреблять миллион баррелей нефти за секунду. Цены на невозобновляемые источники энергии относительно высоки и постоянно растут, так как спрос очень высок по сравнению с предложением. Не во всех странах есть такие источники энергии, и те страны, у которых есть эти источники энергии, контролируют цены на мировом рынке.
В настоящем сценарии использования энергоресурсов больше всего используются невозобновляемые источники энергии. Еще одной особенностью этого вида энергии является возможность загрязнения окружающей среды, поскольку его использование приводит к выбросу двуокиси углерода и других токсичных газов, таких как оксид азота, сера и углеводороды. Эти газы вызывают кислотные дожди, которые загрязняют почву и воду. Двуокись углерода, выбрасываемая в атмосферу в результате использования невозобновляемых ресурсов, является одной из основных причин парникового эффекта, одной из основных экологических проблем современности.
Ожидается, что к середине 21 века население мира вырастет с нынешних 7 миллиардов до 9-10 миллиардов человек. По оценкам, к этому времени глобальное энергопотребление увеличится в несколько раз. Такое увеличение энергопотребления планеты должно быть обеспечено за счет источников энергоресурсов, и решение этой проблемы должно быть начато уже сегодня, так как для широкого внедрения новых технологий в производство энергии потребуется более одного десятилетия.
Эта проблема может быть решена путем использования новых, нетрадиционных источников энергии.
Солнечная энергия как альтернативный источник энергии
Юг России имеет прекрасные природные условия для развития солнечной энергетики. В нашей стране запущено производство солнечных батарей, которые устанавливаются во время строительства электростанций. Мощность уже построенных солнечных электростанций варьируется от 0,1 до 75 МВт. Крупнейшая солнечная электростанция, Перово, расположена в Крыму. Ее установленная мощность составляет 105,56 МВт. Она способна производить 132,5 млн. кВт/ч электроэнергии. Площадь, занимаемая солнечными модулями, составляет около 200 га, или 259 футбольных полей.
Преимущества
Это бесплатно. Одним из главных преимуществ солнечной энергии является то, что за нее не нужно платить. В солнечных батареях используется кремний, который в изобилии поставляется.
Побочных эффектов нет. Процесс преобразования энергии осуществляется без шума, вредных выбросов и отходов, а также без воздействия на окружающую среду. То же самое нельзя сказать о тепловой, гидро- и ядерной энергетике. Все традиционные источники в той или иной степени наносят вред окружающей среде.
Безопасность и надежность. Оборудование долговечное (срок службы до 30 лет). После 20-25 лет использования фотоэлементы отдают до 80 процентов своего номинала.
Переработка. Панели солнечных батарей полностью перерабатываются и могут быть повторно использованы в производстве.
Простота обслуживания. Устройство довольно легко устанавливается и работает в автономном режиме.
Хорошо подходит для использования в частных домах.
Эстетика. Модули могут быть установлены на крыше или фасаде здания без ущерба для его внешнего вида.
Хорошо интегрированы в качестве вспомогательных энергосистем.
Недостатки
Производительность зависит от времени суток и погоды. Не пригодены для использования в высоких широтах.
Необходимо аккумулировать переработанную энергию.
Начальные инвестиции высоки. Это особенно заметно для обычных людей при покупке оборудования для частного дома.
Периодически нужно очищать панели от грязи.
Для установки панелей требуется большая площадь.
В некоторых фотоэлементах есть Pb, Cd, мышьяк, что также усложняет переработку.
Энергия ветра
С начала 20-го века, с постепенным внедрением электричества в повседневную жизнь людей, использование ветряных турбин стало одним из способов производства электроэнергии. В разные годы отрасль переживала взлеты и падения благодаря состоянию экономики страны, успехам в развитии технического оборудования, спросу на энергоносители.
В последние годы доля ветроэнергетики в общем объеме электроэнергии, вырабатываемой в разных странах, на разных континентах, неуклонно растет, как видно из приведенного ниже графика:
В Европе, Китае и США правительства уделяют большое внимание этому энергетическому сектору. Компании, работающие в этой сфере, получают различные льготы и финансовую помощь.
Германия является лидером среди европейских стран по использованию ветровых электростанций, за ней следуют Испания и Дания.
Россия крупная страна, и благодаря своей огромной территории и расположению в различных географических и климатических зонах она обладает огромным потенциалом для использования ветроэнергетики. По оценкам экспертов, этот потенциал оценивается более чем в 50 000 млрд. кВт/ч электроэнергии в год, что может составлять до 30% национальной энергосистемы.
Возможность использования энергии ветра в различных регионах можно оценить, взглянув на карту зон ветра:
Представленная карта показывает, что потенциальное использование ветряных турбин возможно на большой территории страны. Наиболее благоприятные районы: прибрежные территории Севера, Черного, Каспийского и Азовского морей, Камчатский полуостров, остров Сахалин, внутренняя территория страны от Волги и Дона до Карелии, Алтая и Тувы.
В настоящее время все большее внимание уделяется развитию ветроэнергетики, поэтому в последние годы наблюдается динамика роста ввода ветроэнергетических мощностей.
Использование ветрогенераторов в различных регионах страны стало неравномерным в связи с возникновением определенных погодных условий, различных технических и финансовых возможностей регионов, а также спроса на электроэнергию.
Преимущества ветроэнергетики
Преимущество данного способа получения энергии заключается в том, что при его использовании не происходит выброса загрязняющих веществ в атмосферу. Кроме того, для поворота лопастей ветрогенератора не требуется топлива. Поэтому для преобразования энергии достаточно построить ветряные турбины в местах, где ветер дует часто в течение года. Скорость воздушной массы 3 м/с достаточна для выработки электроэнергии. В случае сильных порывов со скоростью более 25 м/с специальная тормозная система останавливает ветровой генератор.
На возведение такого объекта уходит всего неделя, что позволяет быстро запустить сеть генераторов. Хотя такие комплексы занимают большие площади, одну и ту же землю можно безопасно использовать для сельскохозяйственных целей. Земли сельскохозяйственного назначения могут располагаться непосредственно в основании мачты, а жилые дома не ближе 300 метров, шум от ветряных турбин на этом расстоянии не превышает фонового шума. Выход из строя одного блока не влияет на работу всей установки, поэтому в случае возникновения неисправностей они не оказывают существенного влияния на общую производительность.
Недостатки ветроэнергетики
Хотя положительные стороны использования ветряных турбин вполне очевидны, их недостатки не сразу заметны. Во-первых, такие электростанции менее эффективны, в отличие от традиционных ТЭС, ГЭС и АЭС. Это связано с тем, что источник энергии ветер нестабилен. Сегодня его скорость достаточна, завтра может быть спокойно, а послезавтра может начаться шторм, и ветряные турбины придется выключить, или они могут быть полностью сдуты. Эта специфика требует дорогостоящих решений при подключении ветропарков к единой энергосистеме, в том числе с использованием аккумуляторов.
Ложные теории
Противники ветроэнергетики выдвигают различные ложные теории:
1. Шум, производимый ветряными турбинами, наносит вред экосистеме. Ветряные электростанции производят шум, но на расстоянии 30-40 метров он уже воспринимается как фон (уровень естественного шума), поэтому не наносит ущерба окружающей среде.
2: Ветряные турбины убивают птиц. Да, это действительно так. Однако из-за ветряных электростанций погибает столько же птиц, сколько из-за высоковольтных сетей и автомобилей.
3. Телевизионный сигнал ухудшается вблизи ветряных электростанций. Устройство никоим образом не влияет на качество спутникового, цифрового и аналогового ТВ-сигнала.
Главная цель таких вымыслов привлечь больше людей на сторону традиционной энергетики, которая является более прибыльной для современных предпринимателей.
Гидроэнергетика
Концепция развития гидроэнергетики, история развития гидроэнергетики
Гидроэнергетика относится к энергии, переносимой потоком реки. Чаще всего используется сила падающего потока, в местах, где это возможно, используется естественная приливная сила.
Широко используется гидроэнергетический потенциал плотин гидроэлектростанций. Это искусственная структура, которая позволяет воде накапливаться в искусственно созданном водохранилище, создавая разницу в высоте и высоте воды.
В средние века водная энергия рек использовалась на мельницах для приведение в действие жернова и в кузницах для надувания мехов. В прошлом были построены простые плотины и использовалось водяное колесо. Затем были изобретены гидравлические турбины, которые преобразовывали кинетическую энергию потока в механическую энергию.
В настоящее время гидроэнергия преобразуется в электроэнергию с помощью турбин.
Энергия вырабатывается за счет преобразования большого потока воды в электричество. Для этого строятся гидроэлектростанции (ГЭС) с плотинами и водохранилищами. Обычно они расположены на реках с сильным течением. Плотины построены для создания постоянного уровня воды, который заставляет лопасти водяной турбины двигаться, что, в свою очередь, приводит в движение электрогенераторы.
Строительство гидроаккумулирующих электростанций более дорогостоящее и сложное по сравнению с традиционными электростанциями. С другой стороны, цена электроэнергии (на российских ГЭС) в два раза ниже. Турбины могут работать в различных режимах мощности и контролировать выработку электроэнергии.
Плюсы и минусы гидроэнергетики
Гидроэнергетика это востребованный вид энергии. Причин для этого много, основные из которых мы перечислили в сравнительной таблице.
| Преимущества | Недостатки |
| Использование возобновляемой энергии. | Высокие затраты на этапе строительства. |
| Низкая себестоимость. Источник энергии – вода в реке – практически бесплатная. | Удаленность источника энергии от потребителя и соответственно необходимость транспортировки. |
| Экологическая безопасность. Отсутствие вредных выбросов в атмосферу. Сохранение углеводородных топливных ресурсов. Все, что теряет водный поток при прохождении через плотину, это скорость течения. | Необходимость задействовать большие территории под водохранилища. |
| Высокий коэффициент полезного действия – 95%, мощность свыше 100 МВт. | Отчуждение плодородных пойменных земель. |
| Простота в эксплуатации. | Постоянная потребность в водных ресурсах. |
| Возможность регулировать объемы гидроээнергии в зависимости от потребностей. | Влияние на водное биологическое равновесие. |
| Искусственные водохранилища помогают решить проблему паводков и обеспечивают пресной водой городские и сельские поселения, промышленность и сельское хозяйство. | Опасность техногенных катастроф или террористических актов. |
| Использование ресурсов водохранилища для промыслового рыбхозяйства. |
Гидроэнергетика в мире
Гидроэнергетические ресурсы составляют 19% всей энергии, вырабатываемой на планете. На их долю приходится 63% возобновляемых источников энергии.
Норвегия, Исландия и Канада являются лидерами в производстве гидроэлектроэнергии. Приливные электростанции были построены в Северной Америке (США и Канада), Европе (Великобритания и Франция) и некоторых других странах.
В Европе отсутствие затопляемых земель и высокая стоимость земли препятствуют развитию речной энергетики. Наиболее активное строительство насосных гидроаккумулирующих электростанций на реках происходит в Китае.
Распределение гидроэлектростанций в мире
Гидроэнергетика в России
Россия имеет самую разветвленную систему водоснабжения в мире. Больше, чем в любой другой стране, здесь используется энергия рек. Это связано с ходом истории. Молодое советское государство сделало ставку на гидроэнергетику, закрепив задачи и стратегию развития энергетики в известном государственном плане электрификации ГОЭЛРО.
Реки Дальнего Востока и Сибири обладают огромным гидроэнергетическим потенциалом.
Крупнейшие запасы гидроэлектроэнергии сосредоточены в Поволжье. На главной реке России строится каскад электростанций. Энергетическими столпами являются Днепровская, Красноярская, Саяно-Шушенская и Брацкая электростанции.
Саяно-Шушенская ГЭС
В настоящее время в России действуют 15 крупных гидроэлектростанций мощностью более 1000 МВт и более ста малых. Однако техническое состояние многих из них таково, что необходима модернизация и переоснащение существующих объектов.
Общий объем производства гидроэлектроэнергии в России составляет 165 млрд. кВт/ч. При таких масштабах проблема обеспечения страны энергией может быть решена. Однако до тех пор, пока энергетические компании работают изолированно и не объединены в единую систему, контролируемую государством, рост тарифов на электроэнергию не может быть остановлен.
Энергия рек, приливов, дождевой воды и таяния снега является ресурсом, который до сих пор не эксплуатируется на 100%. Они представляют собой огромный источник возобновляемой, дешевой и экологически чистой энергии.
Гидроэнергетика является наиболее эффективным направлением развития электроэнергетики. В настоящее время общий объем производства гидроэлектроэнергии на основе возобновляемых биологических ресурсов составляет 89,5%.
Энергия волн
Принцип волновой электростанции основан на преобразовании кинетической энергии волн в электрическую энергию. Существует несколько способов строительства таких станций, различающихся принципом работы и строительством.
1. Принцип осциллирующего водяного столба. В этом варианте волны, совершая толкающие движения, заполняют специально изготовленные камеры, в которых находятся массы воздуха. Воздух сжимается, создается положительное давление, под действием которого он попадает в турбину, поворачивая лопастные механизмы. Вращательное движение турбины передается генератору, который вырабатывает электричество.
2. Принцип колеблющенося тела. Принцип колеблющегося тела используется для работы различных буев, морских змеев и др. В этом варианте исполнения несколько секций соединены между собой в конвертере, между которыми гидравлические поршни установлены на подвижных платформах. К поршню (группе поршней) подключен гидравлический двигатель, приводящий в движение электрический генератор во вращательном движении. При раскачивании волн преобразователь приводит в действие поршни, которые, в свою очередь, приводят в движение гидравлический двигатель и генератор.
3. Установка с искусственным атоллом. Эта бетонная конструкция состоит из корпуса, на котором размещена волноотводящая поверхность. В средней части находится резервуар для хранения (бассейн). Из этого резервуара вода поступает на гидротурбину через входное отверстие. Генератор установлен в верхней части конструкции. Для подъема воды в бассейн, находящийся над уровнем моря, используется эффект набегания волны на специальную наклонную поверхность.
Волновые электростанции в мире
Первая в мире электростанция волны появилась в 1985 году в Норвегии мощностью 500 кВт.
Считается, что австралийская Oceanlinx первая в мире коммерческая электростанция, использующая энергию волн для выработки электроэнергии. Она начала функционировать в 2005 году, затем была восстановлена и вновь введена в эксплуатацию в 2009 году. Работа станции основана на принципе колеблющегося водяного столба. Мощность электростанции в настоящее время составляет 450 кВт.
Другая коммерческая волновая электростанция начала работать в 2008 году в Агусадоре, Португалия. Это новаторская установка, которая напрямую использует энергию механических волн. Принцип работы установки основан на принципе колеблющегося тела. Проект осуществлялся британской компанией Pelamis Wave Power, мощность электростанции составляла 2,3 МВт, и есть возможность увеличения мощности за счет установки дополнительных секций.
Самая большая в мире волновая электростанция, Wave Hub, расположена у побережья полуострова Корнуэлла в Соединенном Королевстве. Электростанция оснащена 4 генераторами мощностью 150 кВт каждый. Работа станции основана на принципе колеблющегося тела.
Волновые электростанции в России
В России, как и во всех странах, имеющих выход к морскому побережью, интерес к источникам энергии, способным к регенерации, возвращается после многолетнего застоя, и одним из таких источников являются волновые электростанции.
Первая в нашей стране электростанция, основанная на преобразовании энергии волн, была построена в 2014 году на Дальнем Востоке, на территории Приморского края, на полуострове Гамова. Это многофункциональная электростанция, способна преобразовывать не только энергию направленных водных масс, но и энергию естественных приливных течений.
Соответствующими министерствами нашей страны совместно с руководством государства разработан план развития зеленой энергетики до 2020 года, согласно которому на долю альтернативных источников энергии будет приходиться до 5% от общего объема вырабатываемой в стране электроэнергии. Этот план также предусматривает дальнейшее развитие электростанций, работающих на энергии волн.
Энергия приливов и отливов
Такой вид энергии получают от естественного подъёма и спада уровня воды. Работает с помощью электростанций. Их ставят исключительно, чтобы перепад воды был не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.
Этот альтернативный источник энергии изучен лучше, чем другие, и является более предсказуемым. Но освоение технологии, изучение принципа ее действия было долгим и имеет небольшую долю в мировом производстве. Потому что циклы приливов и отливов часто не соответствуют стандартам потребления электроэнергии.
Технология приливной энергии
Океанские колебания вызваны взаимным притяжением Луны, Земли и Солнца. Величина прилива под влиянием Луны в 2,2 раза превышает величину солнечного прилива. Амплитуды и формы волн варьируются от берега к берегу. Приливные электростанции используют естественную возобновляемую энергию приливов и отливов. Она вращает лопасти турбины и преобразуется в электричество.
Извлекается энергия приливов и отливов с помощью:
генератора приливного потока;
приливных плотин.
Приливная энергия является неисчерпаемым ресурсом.
Достоинства:
- неиссякаемость источника;
- отсутствие необходимости в добыче топлива;
- доступность;
- безопасность;
- экологическая чистота производства;
- надежность;
- отсутствие зависимости от сезонности;
- стабильность работы ПЭС;
- высокий КПД;
- зоны затопления не создаются;
- естественный бассейн.
Стоимость строительства ПЭС ниже, чем у электростанции. Метод строительства является наплавным, что сохраняет окружающую среду. Но со всеми преимуществами, эти структуры имеют и недостатки.
Проблемы приливной электроэнергетики
Правила PES тщательно продуманы и определены. Существуют условия, которые не всегда могут быть выполнены человеком. Приливная энергия зависит от лунного дня. Мощная энергия воды требует особых условий. Есть районы, где во время приливов вода поднимается до довольно высокого уровня. Такие районы можно найти в Англии, Канаде, Норвегии, России, Китае и Франции.
Приливно-отливные станции хорошо строить, когда поблизости есть крупный бизнес. В противном случае использование энергии приливов и отливов будет экономически нецелесообразным. Если завод находится далеко от места использования, необходимо будет протянуть линии электропередач. ПСП могут быть построены только на морских берегах, океанах. Они не развивают высокую эффективность.
Ученые пришли к выводу, что строить дорого. Соотношение получаемой энергии может быть выше, чем у атомных и тепловых электростанций.
Использование энергии приливов и отливов в мире
Приливная энергия привлекает ученых. Они знают, что даже небольшие электростанции могут обеспечить северные регионы электроэнергией. Использование энергии океана, приливов и волн широко распространено и актуально во всем мире.
Приливные ПЭС:
1) Ла Ранс PES расположен во Франции в устье реки Ранс. Электрическая мощность 240 МВт. Тип турбины роторно-лопастная турбина. Строительство началось в 1961 году. Была введена в эксплуатацию в 1966 году.
2) Сихвинская ГРЭС расположена в Южной Корее в искусственном заливе. Это самая большая электростанция в мире. Ее мощность составляет 254 МВт, а генерация станции составляет 550 млн кВт/ч в год. Строительство началось в 2003 году. Введена в эксплуатацию в 2011 году.
3) ПЭС Аннаполисс это станция в Канаде, которая работает с 1985 года. Она расположена в заливе Фанди. Производит 50 миллионов кВт/ч в год. Электрическая мощность 20 МВт.
4) ПЭС Цзянься построена в Китае. Электрическая мощность составляет 3,2 МВт. Станция обеспечивает электроэнергией 4 деревни. Это четвертая по величине электростанция.
Единственная российская ПЭС осталась экспериментальной. Она была построена в бухте Кислая Губа, где приливы и отливы очень мощные. Территория никогда не была освоена. Первоначально ПЭС была построена на мысе Притыка в Баренцевом море в гавани.
Позже, в 1968 году, станция была отбуксирована. Сборная электростанция мощностью 1,7 МВт была построена на базе одной турбины на плавучем кессоне. Даже сегодня приливная энергия в России изучается на этой самой экспериментальной станции.
Энергия диффузии жидкостей
Новый способ производства альтернативного источника энергии. Его работа описана следующим образом: осмотическая электростанция, установленная в устье реки, контролирует смешивание соленой и пресной воды и извлекает энергию из энтропии жидкостей.
Вращение гидротурбин обеспечивает выравнивание концентрации соли, давая положительное давление. В настоящее время такая электростанция есть только в Норвегии.
Энергия температурного градиента (гидротермальная энергия)
Морская вода имеет неравные температуры на поверхности и на глубинах океана. Используя эту разницу, вырабатывается электричество.
Первая электростанция, вырабатывающая электроэнергию за счет температуры океана, была создана еще в 1930 году. В настоящее время в США и Японии действуют закрытые, открытые и комбинированные океанские электростанции.
Этот метод основан на температурном балансе. Для строительства станций необходимо морское побережье. Поглощая до 70% солнечной энергии, Мировой океан становится отличным источником температурных ресурсов. Однако нагрев и выделение углекислого газа при очистке морской воды наносит ущерб окружающей среде. Одним из преимуществ является то, что ресурс чрезвычайно обширен.
Геотермальная энергия
Этот метод производства энергии появился совсем недавно, но быстро сумел доказать свою эффективность. Источником энергии в этом случае является тепло, выделяемое земной корой. У этой технологии есть большой минус, потому что она может быть доступна только в определенных частях планеты. Так что сейчас станции такого типа есть в Новой Зеландии, Ирландии, США, Италии и других странах, где эксплуатация таких установок экономически оправдана.
В настоящее время 19 300 МВт альтернативной энергии производится с использованием геотермальных технологий. В то же время, одним из крупнейших поставщиков геотермальной энергии является Российская Федерация. На его долю приходится 10% всей вырабатываемой таким образом энергии в мире. Однако это не предел, потому что Россия, имея огромные территории с различными климатическими условиями, просто обязана развивать эту отрасль энергетики, делая ее более надежной и приемлемой для граждан. По мнению экспертов, только на Камчатке по этой технологии можно производить до 5 тыс. МВт.
Геотермальные электростанции используют энергию недр Земли. Термальные воды используются не только для выработки электроэнергии, но и для отопления и горячего водоснабжения. Недостатком этого источника энергии является то, что для получения достаточного количества горячей воды необходимо пробурить скважину глубиной в несколько километров.
Как само глубокое бурение, так и закачка использованной воды обратно в водоносный пласт сложны. Это экономически нецелесообразно, поэтому тепловые электростанции строятся в районах, где есть вулканическая активность. Поднятие на поверхность термальных источников производит воду с температурой выше кипения, что обеспечивает высокую эффективность электрогенераторов.
Энергия земного ядра практически неисчерпаема: за несколько миллионов лет ядро остывает на 1 градус. При этом выделяется тепло, в тысячу раз превышающее энергетические запасы всех известных ископаемых видов топлива. В Краснодарском крае и на Курильских островах есть геотермальные станции, а на Камчатке около 40% электроэнергии вырабатывается за счет геотермальной энергии.
Особенности использования геотермальной энергии
Теоретически неисчерпаемые энергетические ресурсы нашей планеты достаточны для нужд человеческой цивилизации. Однако на практике мы сталкиваемся с проблемами, связанными с добычей и переработкой геотермальной энергии. Таким образом, начальные инвестиции колеблются от 200 до 5000 долларов на 1 кВт мощности.
| Плюсы геотермальной энергии | Недостатки геотермальной энергии |
| Неисчерпаемость источника | Требуется бурить скважины глубиной до нескольких километров. Не во всех регионах это целесообразно. |
| Автономность в любое время года, суток, при любых погодно-климатических условиях и других факторах внешней среды | Большие теплопотери при добыче и транспортировке. |
| Эффективность. Коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) – 80% | Легкость добычи в районах вулканических извержений и гейзерных месторождениях, где горячая вода залегает на поверхности. |
| Не требуются большие площади, как при строительстве гидроэлектростанций. | Присутствие токсических и радиоактивных примесей. |
| Не загрязняют атмосферу. | Невозможность сбросов отработанных отходов в наземные водоемы. |
| Низкое водопотребление по сравнение с ГЭС и ТЭС, АЭС. 20 л на 1 Квт. В других – до 1000 л. | Обратная закачка воды – технически сложна и энергозатратна. |
| Разработка и техническая эксплуатация скважин провоцируют землетрясения. | |
| Тепло-, шумо- и химическое воздействие на окружающую среду. Накопление твердых опасных отходов. |
Эксплуатация геотермальной энергии началась еще в 19 веке. Первым был опыт итальянцев, проживающих в провинции Тоскана, которые использовали для отопления теплую родниковую воду. С его помощью были пробурены новые скважины.
Тосканская вода богата бором, а при испарении превращается в борную кислоту, котлы работают на тепле собственных вод. В начале 20-го века (1904 г.) тосканцы пошли дальше и установили электростанцию, работающую на пару. Итальянский пример стал важным опытом для США, Японии и Исландии.
Геотермальная энергия используется меньше, чем другие разработанные возобновляемые источники энергии. Однако в тех случаях, когда другие полезные ископаемые недоступны или не могут быть освоены, они разрабатываются в основном при поддержке государственных программ.
Геотермальная энергия широко распространена в Юго-Восточной Азии, Восточной Африке и Центральной Америке.
Однако и в других в частях света есть страны, которые используют геотермальную энергию.
В Европе Исландия, Италия, Франция, Литва.
В Америке США, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике.
В Азии Япония, Китай, Филиппины, Индонезия, Таджикистан.
В Африке, в Кении.
В Австралии это Новая Зеландия.
Энергия горячих источников поступает из вулканизированных районов Земли. К ним относятся Камчатка и Курильские острова, Японские острова и Филиппины, а также горные системы Кордильеры и Анд.
Крупнейшим производителем геотермальной энергии в настоящее время являются Соединенные Штаты Америки. В США построено 77 геотермальных электростанций. За короткое время, прошедшее с момента начала разработки и эксплуатации, страна стала экспортером энергии и самих технологий.
Знаменитая и самая мощная группа тепловых электростанций (22 единицы) называется Гейзерами и расположена в 100 километрах к северу от Сан-Франциско. Другие промышленно-энергетические зоны строятся в Неваде и Калифорнии.
На Филиппинах треть электроэнергии вырабатывается под землей. Третье место в мире принадлежит Мексике.
Развитие перспективных технологий в этом секторе энергетики связано с Исландией. На его территории насчитывается почти 3 десятка действующих и потухших вулканов, что определяет специализацию производства энергии.
На долю геотермальной энергии в Исландии приходится 25-30% производства. В энергетике страны используются горячие гейзерные источники, которых здесь очень много. Например, Рейкьявик, главный город страны, обслуживается геотермальной электростанцией, всего в стране их пять.
Исландия является образцом экологического образа жизни планеты, потому что она получает большую часть энергии из земли и использует возобновляемую энергию из воды для остального.
Кроме того, прирученное тепло земли помогло Исландии за короткое время превратиться из экономически отсталой страны в стабильно процветающее государство.
Гравитация как источник энергии
Гравитация, как известно, одна из самых мощных сил во вселенной. Это то, что заставляет галактики образовываться и появляться новые звезды. На нашей планете гравитация также играет огромную роль и является прекрасным источником альтернативной энергии. В мире существует множество электростанций, которые используют силу тяжести для преобразования ее в электричество и тепло. Вот основные положительные параметры таких систем.
Гравитационные электростанции не требуют использования дорогостоящих ресурсов, способных вырабатывать энергию.
Это устройство безопасно для человека и не загрязняет окружающую среду.
Система может работать даже при плохих погодных условиях и не зависит от температурных таблиц. Она максимально эффективена при любых условиях.
Такая станция может быть установлена в любом удобном для владельца месте.
Принцип действия большинства гравитационных систем довольно прост. Некоторые устройства имеют систему грузовых форм, которые при опускании производят определенное количество энергии.
Стоит отметить, что, учитывая соотношение цена/качество, гравитационные генераторы на сегодняшний день являются одними из самых эффективных систем для производства альтернативной энергии.
Вирус М13 (альтернативная энергия)
На первый взгляд трудно представить, что вирус бактериофага способен вырабатывать электричество. Однако ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, Калифорния, сумели это сделать. Модифицировав бактериофаговый вирус M13 таким образом, чтобы он генерировал электрический заряд при механической деформации материала, исследователям удалось использовать новую, альтернативную форму энергии. Простым нажатием кнопки или проводом пальцем по дисплею вырабатывается электричество. Однако сила разряда не так велика, в то время как наибольший результат, достигнутый по вирусному маршруту, равен возможностям четверти микропальцевой батареи.
Термоядерная энергетика
Альтернативные источники энергии из природных ресурсов очень эффективны. Но самые мощные источники энергии созданы человеком. Это относится, например, к новому научному проекту по созданию термоядерного реактора, способного воспроизводить процесс внутри звезды. По всем прогнозам, это будет самый мощный источник энергии, когда-либо созданный человеком.
Первоначально реактор планировалось ввести в эксплуатацию в 2016 году. Однако сложность используемых технологических решений привела к необходимости перенести дату начала проекта. В настоящее время эксперты утверждают, что она может быть запущена не ранее 30-40 годов 21 века.
Биотопливо
Многие люди знают слово биотопливо, но мало кто знает, что это такое, и еще меньше людей могут объяснить, как и из чего оно производится.
Биотопливо это альтернативный источник энергии, который производится из биологического сырья.
Существует несколько видов такого топлива, которые различаются по физическому состоянию:
1. жидкое биотопливо;
2. твёрдое биотопливо;
3. газообразное биотопливо.
Преимущества и недостатки биотоплива
Биотопливо имеет свои положительные и отрицательные стороны. Интерес к использованию данного вида сырья обусловлен его несомненными преимуществами.
В том числе:
Бюджетные расходы. Хотя цены на биотопливо в настоящее время почти на одном уровне с ценами на бензин, биотопливо считается более благоприятным видом топлива, поскольку при сгорании производится меньше выбросов. Биотопливо подходит для различных условий эксплуатации и может быть адаптировано к различным конструкциям двигателей. Еще одним преимуществом является оптимизированная работа двигателя, который дольше остается чистым благодаря небольшому количеству сажи и выхлопных газов.
Мобильность. Биотопливо отличается от других альтернативных источников энергии своей мобильностью. Солнечные и ветряные установки обычно содержат тяжелые батареи, поэтому они в основном используются стационарно, в то время как биотопливо можно без особых проблем транспортировать из одного региона в другой.
Возобновляемый источник энергии. Хотя ученые считают, что существующие запасы нефти прослужат, по крайней мере, несколько сотен лет, ископаемые ресурсы ограничены. Биотопливо, изготовленное из отходов растительного и животного происхождения, является возобновляемым ресурсом, которому не грозит исчезновение в обозримом будущем.
Защита земной атмосферы. Основным недостатком традиционных углеводородов является высокий процент выделения CO2 при сгорании. Этот газ вызывает парниковый эффект в атмосфере нашей планеты, создавая условия для глобального потепления. В отличие от этого, при сжигании биологического вещества количество углекислого газа снижается до 65%. Кроме того, культуры, используемые для производства биотоплива, потребляют угарный газ, сокращая его долю в воздухе.
Экономическая безопасность. Углеводородные ресурсы распределены неравномерно, поэтому некоторые страны вынуждены покупать нефть или природный газ, тратя много денег на их покупку, транспортировку, хранение. Различные виды биотоплива могут быть произведены практически в каждой стране. Поскольку его производство и переработка потребуют создания новых предприятий и, следовательно, рабочих мест, это пойдет на пользу национальной экономике и положительно скажется на благополучии людей.
Совершенствование технологий и разработка новых методов позволит повысить положительный эффект от использования биотоплива. Поэтому развитие технологий с использованием планктона и водорослей позволит существенно снизить его стоимость.
В то же время на современном этапе научно-технического развития производство биотоплива связано с рядом трудностей и недостатков. Прежде всего, существуют естественные ограничения в выращивании растений.
При выращивании растений, используемых для производства биомассы, необходимо учитывать ряд факторов, а именно:
Потребление воды. Сельскохозяйственные культуры используют большое количество воды, что является ограниченным ресурсом, особенно в засушливых районах.
Инвазивность. Топливные культуры часто являются инвазивными. Они подавляют местную флору, что может повлиять на биоразнообразие и экосистему региона.
Удобрения. Для роста многих растений требуются дополнительные питательные вещества, которые могут быть вредными для других культур или для всей экосистемы в целом.
Климат. Некоторые климатические зоны (например, пустыня или тундра) не подходят для выращивания биотопливных культур.
Активное выращивание сельскохозяйственных культур также связано с истощением сельскохозяйственных ресурсов, несоблюдение принципов агротехнологии может привести к снижению содержания полезных компонентов в почве и, как следствие, к их истощению, что обострит продовольственную проблему.
Происходит разрушение экосистемы. Производство биомассы обычно требует расширения площадей, занятых в сельском хозяйстве.
Зачастую вырубка земли с этой целью приводит к разрушению микроэкосистемы (например, леса), растительного и животного мира.
Для производства биотоплива уже выращивается большое количество культур. Более 50% европейского производства рапса, более трети американского зерна, почти половина бразильского сахарного тростника используются для производства биомассы.
Проблемы возникают при выращивании монокультур. Чтобы получить более высокий урожай биомассы, производители часто засевают землю определенной культурой. Эта практика не оказывает положительного воздействия на сельскохозяйственные угодья, поскольку монокультура приводит к изменениям в окружающей среде.
На полях, занятых одним видом растений, обычно паразитируют конкретные виды вредных организмов. Попытки бороться с ними с помощью инсектицидов и пестицидов приводят лишь к развитию устойчивости к ним.
Чтобы избежать описанных выше проблем, ученые советуют не пренебрегать биологическим разнообразием культур, комбинируя несколько растений на полях и используя местные сорта флоры.
Водоросли отапливают дома
Водоросли стали рассматриваться как альтернативный источник энергии сравнительно недавно, но технология, по мнению экспертов, очень перспективна. Достаточно сказать, что 1 га водной поверхности, занятой водорослями, может производить 150 000 кубических метров биогаза в год. Речь идет об объеме газа, добываемого с помощью небольшой скважины и достаточного для содержания небольшого поселка.
Зеленые водоросли просты в уходе, быстро растут и представлены многими видами, которые используют энергию солнечного света для проведения фотосинтеза. Вся биомасса, будь то сахара или жиры, может быть преобразована в биотопливо, чаще всего в биоэтанол и биодизель. Водоросли являются идеальным экологическим топливом, поскольку они растут в водной среде и не требуют наземных ресурсов, очень эффективны и не наносят вреда окружающей среде.
Преимущества и недостатки альтернативных источников энергии (АИЭ)
Неисчерпаемость, безопасность, экологичность это очевидные преимущества эксплуатации нетрадиционных источников, но для перехода на АИЭ необходимо решить основные проблемы отрасли.
AИЭ снижает негативное воздействие парникового эффекта на окружающую среду за счет природных возобновляемых ресурсов. Как и в других отраслях экономики, энергетический сектор нуждается в диверсификации, чтобы избежать зависимости от одного вида сырья.
Среди негативных факторов стоимость внедрения инфраструктуры выходит на первый план и существенно влияет на конечную стоимость энергии.
Наиболее важной проблемой источников АИЭ является нестабильность. Нетрадиционные источники сильно зависят от погоды, которая не только неподвластна контролю со стороны человека, но и не может быть предсказана заблаговременно.
Глобальные тенденции в использовании возобновляемых источников
Начиная с 21 века в мире наблюдается быстрый рост производства возобновляемой энергии:
За 13 лет ветроэнергетика выросла в 22 раза;
за 10 лет солнечная энергия увеличилась в 430 раз.
В некоторых регионах приняты государственные программы по увеличению доли возобновляемых источников энергии до 75-100%. Инициатива также исходит от крупных корпораций, которые хотят получить 100% от АИЭ: IKEA, Apple, Google.
В настоящее время существует ряд стран, которые могут полностью или почти полностью удовлетворить свои потребности в электроэнергии исключительно за счет возобновляемых источников энергии. К ним относятся Шотландия, Дания, Ирландия, Исландия, Коста-Рика, Уругвай и Никарагуа. Великобритания и Германия также имеют большую долю альтернативных электростанций. А США и Китай лидируют по количеству компаний, использующих возобновляемые источники энергии.
Альтернативная энергетика в современной России
По сравнению с предыдущими годами альтернативная энергетика в России развивается быстрее, но не является доминирующей. В настоящее время большая часть энергии в стране производится с использованием традиционных источников.
В настоящее время лидирующие позиции в российской энергетике занимают нефте- и газоперерабатывающие заводы, на долю которых приходится 75% энергопотребления страны. На угольные электростанции приходится 15%, а на атомные, включая АЭС, только 10%.
Россия обладает достаточным количеством как возобновляемых, так и невозобновляемых энергоресурсов. Однако на данном этапе развития АИЭ экономически более выгодно использовать газ или нефть. Поэтому государство не проявляет особого интереса к развитию альтернативных источников энергии. Кроме того, в настоящее время зеленые электростанции не смогут удовлетворять энергетические потребности крупных промышленных предприятий из-за отсутствия эффективных, действенных и стабильных механизмов генерации.
Еще одним фактором, влияющим на невозможность быстрого перехода на альтернативные источники получения энергии, является нехватка высококвалифицированных кадров и отсутствие необходимой инфраструктуры. Причина этих проблем убыточность инвестиций в альтернативную энергетику, несмотря на изобилие возобновляемых источников энергии в России. Только государственная поддержка может решить эту проблему.
И такая поддержка есть. Реализуется специальная государственная программа по стимулированию размещения оборудования АИЭ, благодаря которой объем производства увеличился до 900 МВт (в 2012 г. он составлял всего 140 МВт). Кроме того, была создана программа ДПМ АИЭ (контракт на поставку электроэнергии на оптовый рынок), которая позволяет до 2024 года российской промышленности развивать производство оборудования для установок АИЭ. С 2020 года ведется подготовка к реализации продления этой программы до 2035 года.
В настоящее время в России из всех источников АИЭ две трети занимают гидроэлектростанции, а остальные методы распределены следующим образом:
Солнечная энергия используется в Краснодарском и Ставропольском краях, Астрахани, Оренбурге, Саратове, Волгограде, Белгороде, Самаре, на Дальнем Востоке, в Забайкальском крае, Республике Бурятия, Крыму, Алтае, Калмыкии, Республике Башкортостан.
Ветроэлектростанции расположены в Крыму, Ульяновской, Оренбургской, Башкортостане и Краснодарском крае.
ГеоТЭС расположены на Кавказе, Курильских островах, Камчатке и Сахалине.
Энергия волн генерируется в Баренцевом море.
