Возобновляемые источники энергии (виэ)

Жидкое топливо из солнечной энергии

Сейчас электричество получают с помощью сжигания органического топлива, например угля и природного газа. У этого способа есть две проблемы: органическое топливо вредит экологии и когда-нибудь закончится. Это заставляет ученых искать замену органике.

С 2001 года китайские ученые пытались преобразовать солнечную энергию в жидкое топливо. Спустя 20 лет у них это получилось.

Исследователям удалось получить жидкий продукт с минимумом примесей — содержание метанола в нем достигает 99,5%. Для этого потребовалось три шага:

превратить свет, полученный с помощью солнечных батарей, в энергию;
с помощью этого электричества разложить воду на водород и кислород;
соединить водород и оксид углерода и получить метанол.

Чтобы получить нужное количество солнечного света, исследователи используют целые фермы солнечных батарей

Как это применять: в отличие от нефти и угля, это топливо сгорает чисто. Если у Китая получится сделать производство жидкого метанола массовым, углекислого газа в атмосфере станет намного меньше — на долю Китая приходится около 29% мировых выбросов.

Ветер

Ветер – старый, проверенный и надёжный источник возобновляемой энергии. Люди его использовали задолго до введения термина в парусных кораблях и ветряных мельницах.

Сейчас, в силу развития технологий, ветрогенераторы стали достаточно сильной фигурой на рынке и занимают крепкую позицию в своей нише. Конкурентность между производителями заставила их хорошо вложиться в исследования наиболее оптимального ветрогенератора.

Ветроэнергетика

Для оптимальной работы ветряка учитываются такие факторы:

высота над уровнем моря или земли. Как известно зона до двух километров турбулентна, воздушные потоки, располагаемые выше сильно тормозят нижние. Но эффект заметно снижается уже на высоте 100 метров. Плюс, расположения ветряка выше 100 метров позволит увеличить длину лопасти и освободить пространство под устройством для деятельности людей и других коммуникаций
расположение. Оптимальный вариант – побережье или море. Интересный факт! Сейчас появилась офшорная ветроэнергетика. Некие группы людей строят в морях и океанах ветряные электростанции, а на побережья проводят провода подачи тока, тем самым укрываясь от налогов
скорость ветра. Характеристика высчитывается по среднему показателю по региону. Ветряк начинает работать при скорости ветра 3 м/с, а при скорости свыше 25 м/с идет аварийное его отключение, дабы не повредить устройство. Оптимальная скорость – 15 м/с
количество лопастей. В процессе исследований было определено, что три лопасти – самый эффективный вариант.
Ось вращения

Watch this video on YouTube

Возобновляемые источники энергии в России

Возобновляемые источники энергии в России получили развитие сравнительно недавно. После 2000 годов, из-за сокращения количества энергоносителей и ухудшения экологической обстановки, необходимость внедрения различных видов возобновляемых источников энергии стала очевидной.

Вклад подобных технологий в производство электроэнергии до этих пор составлял 1 %, в теплоэнергетике ─ 2%. Т.е. инвестиции в ВИЭ были минимальны, а основными энергоносителями страны выступали уголь, нефть и газ.

Перспективы развития гелиоэнергетики в России

Самым эффективным является использование установок напрямую преобразующих солнечную энергию в электричество. Они работают на основе монокристаллов, поликристаллов, аморфного кремния. Такие батареи автоматизированы, практически не затрачивают энергию на себя. Они подлежат ремонту, мощность можно регулировать, добавляя или убирая секции. Подобные коллекторы активно устанавливаются в Ставропольском, Краснодарском крае, Ростовской области, Дагестане.

Перспективы развития ветроэнергетики

Экономика ВИЭ в России под ветроэнергетику отводит 25–30% всего объема электричества. Такой показатель неплох, учитывая что страна не входит в число лидеров по использованию ВИЭ. Ветроэнергетика страны имеет мощность 20000 МВт. Уже сейчас работают ветровые станции с высоким КПД на предгорье Кавказа, на Алтае, в районах побережий морей. Мощные ветропарки располагаются на территории Крыма, в Калининградской области, на Алтае. Рассматривается вопрос постройки установок на берегу Каспийского и Азовского морей.

Кроме стационарных «ветряков» запускаются ветровые зонды (на высоту 2-3 км), имеющие более высокий КПД. Это обусловлено сильными порывами ветрами на высоте. Также широко применяются малые ветровые площадки для обеспечения электричеством близлежащих сел и деревень.

Советуем почитать: Правила поведения и действия при химической атаке

Перспективы развития геотермальной энергетики

На мировом рынке геотермальной энергетики вклад России примерно 10%, это весомая часть. Перспективы развития данной отрасли промышленности имеют Краснодарский край (около 12 месторождений), Камчатка, Кавказ, Калининградская область.

В Камчатском регионе работают несколько геотермальных станций мощностью по 80 МВт каждая, которые обеспечивают ¼ энергетических потребностей области. Согласно мнению специалистов Института вулканологии РАН, ресурсы одной только Камчатки составляют не менее 5000 МВт, что даст возможность обеспечить регион теплом и электричеством на 100 лет.

Перспективы развития приливной электроэнергетики

На основе данных экспериментальной Кольской станции (1968), которая дает 450 квт/ч, было решено начать строительство подобных приливных электростанций на берегу Тихого и Северного Ледовитого океанов. Возводятся Мезенская (мощностью 18,2 млн кВт) и Тугурская ПЭС (мощностью 6,8 млн кВт). Подобное оборудование разрабатывается и устанавливается Россией на территории Китая и Индии.

Глобальный взгляд, почему в России переход на ВИЭ не осуществится

Достоинства традиционной топливной энергетики:

Дешевизна. Человек не одно столетие добывает полезные ископаемые: технологии давно отработаны, месторождения найдены.
Доступность. Оборудование необходимое для производства себя окупило. Промышленность – стабильный источник рабочих мест и дохода для владельцев.
Востребованность. Спросом пользуется то, что дешево и эффективно. Эти два понятия связаны с добычей традиционных энергоносителей.

Топливная энергетика в России сегодня более перспективна, она справляется с поставленными задачами, тогда как нетрадиционная ─ лишь развивается. Для внедрения альтернативной энергетики необходимо преодолеть слишком большое количество препятствий, нужен потенциал и поддержка. Специалисты уверены, что на данном этапе ВИЭ в России могут быть лишь подспорьем для традиционных.

Классификация возобновляемых источников энергии

Возобновляемые источники энергии группируются следующим образом. Относительно видов энергий они делятся на:

механические (волны, ветер);
химические (энергия биомассы);
тепловые или лучевые (излучение солнца, выделенного тепла Земли).

Другая классификация возобновляемых источников энергии представлена относительно явлений, не зависящих от человека:

ветровая энергия;
солнечная;
течение воды и волны;
приливы и отливы;
биотопливо;
тепло Земли.

Кроме известных, разрабатываются нетрадиционные возобновляемые источники энергии: турникеты железнодорожных станций, «лежачие» полицейские дорог. Они оснащаются генераторами электричества и используются, например, для освещения улиц.

Механическая энергия (энергия ветра и потоков воды)

Воздушные массы, перемещаясь в атмосфере, обладают большим кинетическим потенциалом. Воздух давит на лопасти крыльев двигателей и вращает их. Такое движение сообщается механизмам, выполняющим работу (переводят ее в электричество). Данный способ извлечения энергии, несмотря на высокую себестоимость самих установок, используется в зонах с равнинным ландшафтом. Неудобство источника – непостоянство.

Всякое тело, поднятое над Землей, обладает энергией. Это касается и воды, однако водопады ─ редкость. Поэтому воду чаще поднимают вверх с помощью плотин. Такой напор воды, который вращает турбины, выполняет механическую работу. Колесо турбины соединяется с валом электрогенератора, дающего ток.

Развитие гидроэнергетики обусловлено относительно простым устройством механизма добычи и постоянным возобновлением ресурсов благодаря круговороту воды. Однако больших капиталовложений и физических затрат требует непосредственно процесс постройки ГЭС.

Тепловая и лучевая энергия (энергия солнечного излучения и тепла Земли)

Сила излучения Солнца во много раз превосходит все другие ВИЭ. Однако большая часть лучей нейтрализуется по пути к Земле благодаря атмосфере. Поэтому при выборе места постройки гелиостанций учитываются следующие характеристики региона:

высота стояния солнца;
климат зоны использования;
расположение солнца над горизонтом;
высота над уровнем моря.

На основе описанных данных вычисляются оптимальные зоны постройки станций. Существует масса установок для преобразования солнечной радиации: от простых сушилок и нагревателей воды до сверхдорогих фотоэлектрических установок, используемых в промышленности. Лидером применения данного источника – Швейцария. Она массово использует солнечные батареи, гелиостанции.

Во многих регионах Земли на глубине 5-10 км протекают геотермальные воды, которые можно применять в быту и производстве. Данный ВИЭ эффективно используется на территории Исландии, Новой Зеландии. Более 1,6% «чистой» энергии США составляет геотермальная энергия. Вулканическая энергия применяется 62 странами мира, а мощность добываемой энергии в сумме составляет 19300 МВт.

Химическая энергия

Биомассой считаются различные органические отходы (сельскохозяйственных работ, деревообрабатывающей и бумажной промышленности). Их переработка находится на 6 месте среди источников энергии (после нефти, газа и др.). На нашей планете в год образуется до 170 000 тонн данного экологичного продукта.

В результате переработки сырья в атмосферу выделяется лишь двуокись углерода. Европейские специалисты планируют высадку целых лесов с перспективой их использования в качестве биотоплива. Мощность электростанций уже сейчас работающих на биомассе составляет 35000 МВт.

В результате пиролиза (термического разложения органики) получают тепло, биотопливо, электроэнергию, биогаз. Например, из пшеничной соломы выходит до 58% биотоплива, 18% угля, 24% газов. Биогаз активнее всего применяет Германия, там налажено производство дизельного топлива из отходов.

Используемые источники

Наблюдая за природой, можно заметить различные источники возобновляемой энергии. Необходимо просто найти способ преобразовать этот ресурс в электрический:

Солнечная энергия – это то, что можно получить от солнца. Его излучение поглощается солнечными батареями и преобразуется в электричество, которое может аккумулироваться или сбрасываться в электросеть. Существует также тепловая энергия солнца, применяемая для нагрева жидкости. Далее она превращается в пар и приводит в движение турбину, генерирующую электричество. Последний вариант наиболее выгоден для использования в жарких солнечных странах.
Энергия ветра. В этом случае выработка электроэнергии осуществляется при помощи силы ветра. Она приводит во вращение вал ветрогенератора.
Гидроэлектроэнергия. Одна из самых известных. Использует силу движущейся воды. Сюда же относится энергия приливов и морских волн.
Геотермальная. Рождается в сердце Земли. Высокие температуры отложений (обычно вулканических) под земной поверхностью позволяют использовать эту энергию для генерации электричества. Данные ресурсы бывают двух видов: гидротермальные, позволяющие применить высокую температуру геотермальных вод, и петротермальные, использующие нагрев твердых горных пород.
Биотопливо. Один из самых экономичных способов выработки электроэнергии на теплоэлектростанции. В качестве топлива применяют биоразлагаемые продукты – древесину, опилки, кору, выращенные для этой цели культуры и т. д.
Биогаз. Образуется в результате биоразложения органического вещества посредством микроорганизмов в специальных устройствах без кислорода. Горючий газ используется для выработки электроэнергии.

Возобновляемая энергетика

Экология под вопросом

Однако, по мнению экспертов, не все ВИЭ одинаково экологически безопасны. Некоторые способны нанести ущерб экологии. В частности, речь идёт о гидроэлектростанциях (ГЭС). Согласно данным исследователей из Австралии и КНР, суммарная площадь земель, затопленных в результате ввода в эксплуатацию гидроэлектростанций, — 340 тыс. кв. км, что немногим меньше площади Германии. Соответствующие сведения учёные приводят в издании Trends in Ecology & Evolution.

Из-за ГЭС были разрушены многие пойменные экосистемы, что привело к снижению видового разнообразия. Впрочем, в последние годы гидроэнергетика уступает лидерство новым видам генерации: солнечной и ветроэнергетике. По прогнозам экспертов, их доля генерации сравняется с долей ГЭС к 2030 году.

Однако активное внедрение биотоплива, произведённого из древесины и сельскохозяйственных культур, способно обернуться неприятными последствиями. Кратное увеличение нагрузки на сельхозугодия может привести к сокращению производства продовольствия. Согласно подсчётам американских исследователей, уже сегодня расширение «топливных» посадок вызвало рост цен на продовольственное сырьё в США. Кроме того, чрезмерное увлечение биотопливом может привести к вырубке лесов.

Также по теме

Вырубка лесов и CO2: учёные доказали вред биотоплива для окружающей среды

Европейские учёные пришли к выводу, что биотопливо может наносить серьёзный ущерб окружающей среде. В частности, исследователи…

В 2012 году Еврокомиссия пришла к выводу, что перевод земель под топливные плантации должен быть ограничен, а производители топлива из пищевых культур не должны пользоваться господдержкой.

В результате проведённого в прошлом году Евросоюзом исследования учёные выяснили, что пальмовое или соевое масло, из которого извлекают энергию, выделяет в атмосферу больше углекислого газа, чем любое ископаемое топливо.

«Предписанное ЕС дешёвое биотопливо на основе пищевых продуктов, в особенности растительных масел, таких как рапсовое, подсолнечное и пальмовое, — просто ужасная идея», — заявил директор исследовательской организации Transport & Environment Йос Дингс.

Неоднозначными, по мнению экспертов, являются и преимущества электромобилей как с экономической, так и с экологической точек зрения. При этом в ряде стран действуют меры правительственной поддержки этого вида транспорта.

Электромобиль Tesla Model 3
Reuters

Например, в Эстонии покупатель электрокара может рассчитывать на компенсацию 50% себестоимости машины, в Португалии на покупку электроавтомобиля выплачивается субсидия в 5000 евро. В России тоже задумываются о введении подобных дотаций.

Без господдержки такие автомобили не пользуются спросом: после того как власти Гонконга отменили налоговые льготы для покупателей электрокаров Tesla, продажи этих машин упали до нуля. Однако польза электрокаров для окружающей среды пока не очевидна.

Гидроэнергетика

К возобновляемым источникам энергии относятся широко распространенные гидроэлектростанции. На этих объектах используется потенциальная энергия водных потоков.

Традиционные гидроэлектростанции

Возводят гидроэлектростанции, как правило, на реках. Для создания необходимого давления воды создают мощные плотины и объемные хранилища воды. Как разновидность, используют бесплотинные ГЭС.

Данным объектам (ГЭС) гидроэнергетики присущи следующие особенности.

Положительные:

высокий КПД при сравнительно малых экономических затратах на строительство и дальнейшую эксплуатацию станции, отсюда низкая себестоимость электроэнергии;
отсутствуют вредные выбросы в атмосферу;
водохранилище как фактор, улучшающий микроклимат в районе ГЭС;
возможность разведения рыб;
предотвращает появление паводков, используется для орошения сельхозугодий, технического применения на заводах;
обладают механизмом регулирования потребления энергии.

Отрицательные:

водохранилища затопляют обширные территории, занимают земли, пригодные для сельского хозяйства;
перекрытие рек существенно меняет условия для обитания ценных видов проходных рыб, многие из которых исчезают из облюбованных ранее водоемов.

Гидроэлектростанции, как возобновляемые источники энергии, эффективны для поставки электроэнергии в горные участки. Они имеются в Швейцарии, на территории России. В мировом объеме поставляемой энергии доля гидроресурсов составляет около трех процентов. В Канаде, Исландии и Китае основную часть электроэнергии вырабатывают именно гидростанции.

Красноярская гидроэлектростанция

В России строительство гидроэлектростанций всегда считалось выгодным направлением. В наши дни гидростанции вырабатывают 6 процентов электроэнергии страны. Площади крупнейших водохранилищ ГЭС составляют тысячи квадратных километров. В пример можно привести размеры Самарского водохранилища, площадь которого превышает 6400 км2.

Приливные электростанции

Особой разновидностью гидроэнергетики являются приливные электростанции, работающие на основе использования энергии приливов и отливов. Они возводятся на побережьях, где под воздействием гравитационных сил Солнца и Луны ежедневно меняется уровень воды морских и речных водоемов. Залив или устье реки перегораживают дамбой. Встроенный в неё гидроагрегат с огромными лопастями и преобразует силу прибоя в электроэнергию.

Так устроена приливная гидроэлектростанция

Такая форма получения энергии из неисчерпаемого источника очень экологична, имеет малую себестоимость. Однако само строительство требует больших вложений. Кроме того, перепады в мощности не позволяют поставлять электроэнергию в постоянном режиме. Тем не менее, станции ПЭС ценят за высокую эффективность и малое влияние на экологию. Их строительство продолжается во многих странах.

Волновые электростанции

Энергия волн представляет собой огромный потенциал. Удельную мощность морских и океанских волновых колебаний оценивают гораздо выше солнечной и ветровой. Специалисты подсчитали, что мощность волн мирового океана равна примерно 30 процентам всей потребляемой электроэнергии на Земле.

Волновая гидроэлектростанция Oyster в Шотландской прибрежной зоне мощностью 600 кВт

Работа волновых электростанций построена на превращении потенциальной энергии волн в электрическую. Выбор места строительства подобных объектов получения электричества обусловлен особенностями региона, наличием крупных водоемов и сильных ветров.

Гидроэнергетика будущего

Гидроэнергетика не стоит на месте. Постоянно придумываются новые специфические виды использования силы мирового океана. К примеру, в данный момент разрабатываются технологии использования в энергетике морских течений и разницы температур на различных глубинах.

Океанские и морские течения (Куросио, Гольфстрима и т.п.) также обладают определенной энергетической силой, потенциал которой на практике пока не оценен. Но ученые и проектировщики считают возведение гидростанций, использующих энергию водных течений, перспективном направлением в морской энергетике. Согласно технологии, применяют специальные преобразователи в виде объемных и водяных насосов.

Роторная система Seagen, расположенная у побережья Ирландии, преобразует энергию течений в электроэнергию

Электроэнергию можно получать, используя разницу температур поверхности и глубинных слоев моря или океана. Разность на глубине 400 м и верхнего слоя воды составляет 12 градусов. В данный момент уже существуют экспериментальные системы преобразования разницы температур в электричество, основанные на пьезоэффекте.

Переход на возобновляемые источники

Хотя перспективы возобновляемых источников энергии для замены ископаемого топлива имеет такую мощную привлекательность, полный глобальный переход потребует ряда сложных и длительных процессов, которые будут стоить больших денег.

В ближайшее время наше потребительско-капиталистическое общество делает такой переход совершенно нереализуемым.

Перспективы возобновляемых источников энергии не могут обеспечить основную часть мирового спроса на энергию.

По крайней мере, не в настоящее время, учитывая тот факт, что после 50 лет субсидий, солнечная и ветровая технология, которая на сегодняшний день является самым популярным, все еще производит только около 1% мировой энергии. Если мы учитываем периодическое снабжение, которое ограничивает крупномасштабное использование, будучи также зависимым от погоды, технология еще больше теряет свою привлекательность.

Хотя коалиция глобального лидерства может с помощью правильных политических решений увеличить мировое производство возобновляемых источников энергии, все еще слишком оптимистично полагать, что они будут поставлять основную часть мировой энергии к 2050 году. Реализация таких целей потребует радикальных социальных, экономических, политических и культурных изменений. Однако некоторые страны могут фактически реализовать общенациональный переход на возобновляемые источники в кратчайшие сроки, например, Дания, Испания, Германия, даже развивающиеся экономики, такие как Южная Африка и Бразилия. Кроме того, трудно рассчитать со 100% точностью стоимость этого перехода.
Возобновляемые источники энергии имеют серьезные проблемы с масштабируемостью и хранением, особенно солнечные и ветровые источники. Например, для строительства функциональной ветроэлектростанции среднестатистически потребуется 10 гектаров продуктивной земли, когда продуктивная земля на человека составляет 1,3 гектара на планете.
Опять же, крупномасштабное производство, особенно через солнечные тепловые станции и фотоэлектрические фермы в наиболее благоприятных местах, будет включать в себя передачу на большие расстояния. Потери электроэнергии из-за передачи на большие расстояния неизбежно велики.
Возобновляемые источники энергии, наконец, будут доминировать, но это займет столетия за столетиями. Спрос уже растет, однако ископаемое топливо будет жить достаточно долго.
Наконец, хорошо знать, что прогресс есть прогресс. Если мы можем довести мировое производство возобновляемых источников энергии до 7%, мы также можем довести его до 10%, а затем до 15%, 20%…Гринпис предполагает, что ключ лежит в том, чтобы иметь сочетание источников, разбросанных по широкой территории: солнечная и ветровая энергия, биогаз, биомасса и геотермальная, даже океанская энергия могут внести свой вклад.

Ветроэнергетика в России

Размер российского ветроэнергетического рынка невелик и составляет менее 1% от мирового. Россия является единственной крупной экономикой мира, в которой ветроэнергетика только начинает делать первые шаги. Но есть и положительные тенденции — общая установленная мощность ВЭС в нашей стране составляет более 1 ГВт, причем за прошедший 2020 год ввели в эксплуатацию ряд новых ветроэнергетических установок общей мощностью 700 МВт.

Самые крупные ВЭС — Кочубеевская ВЭС мощностью 210 МВт в Ставропольском крае и Адыгейская ВЭС мощность 150 МВт. Обе ветроэлектростанции были построены при помощи дочерней компании «Росатома».

Зеленая экономика

Анатолий Чубайс — о потенциале зеленой энергетики в России

Среди новых и уже испытуемых технологий можно выделить следующие наиболее перспективные проекты:

Волновые аттенюаторы (например, Pelamis Wave Energy – преобразователь волновой энергии в виде змеевидных устройств, наполовину погруженных в воду — см. рис.)
Волновые генераторы на принципе обратного маятника (Inverted Pendulum, например, bioWAVE, в котором ряд поплавков или лопастей взаимодействует с колеблющейся морской поверхностью (потенциальной энергией) и подводными течениями (кинетической энергией), конвертируя энергию волн в электричество специальным конвертирующим модулем);
Генераторы с жидким/газообразным рабочим телом (включая SDE Wave Power, использующий гидродинамическую энергию волн для приведения в движение пистонов в гидравлическом моторе или Archimedes Wave Swing-III ряд устройств из множества уловителей волновых колебаний на гибкой мембране, конвертирующих энергию волн в пневматическую энергию посредством сжатия воздуха в каждом устройств).

По материалам компании Branan

Что такое возобновляемые источники энергии