Возобновляемые источники энергии: роль на мировой сцене. Мифы о возобновляемой энергетике Энергия жидкостной диффузии
Ухудшение экологии и истощение природных ресурсов заставляет задумываться о том, как получать электричество и тепло из возобновляемых источников.
В этой статье рассказываем, как работает альтернативная энергия и почему многие страны делают выбор в её пользу.
Что такое альтернативная энергия?
Энергия бывает возобновляемой (альтернативной) и невозобновляемой (традиционной).
Альтернативные источники энергии – это обычные природные явления, неисчерпаемые ресурсы, которые вырабатываются естественным образом. Такая энергия ещё называется регенеративной или «зелёной».
Невозобновляемые источники – это нефть, природный газ и уголь. Им ищут замену, потому что они могут закончиться. Ещё их использование связано с выбросом углекислого газа, парниковым эффектом и глобальным потеплением.
Человечество получает энергию, в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и работы атомных электростанций. Альтернативная энергетика – это методы, которые отдают энергию более экологичным способом и приносят меньше вреда. Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах для отопления, горячей воды, освещения, работы электроники.
Ресурсы возобновляемой энергии
- Солнечный свет
- Водные потоки
- Ветер
- Приливы
- Биотопливо (топливо из растительного или животного сырья)
- Геотермальная теплота (недра Земли)
Альтернативные виды энергии
1. Солнечная энергия
Один из самых мощных видов альтернативных источников энергии. Чаще всего её преобразуют в электричество солнечными батареями. Всей планете на целый год хватит энергии, которую солнце посылает на Землю за день. Впрочем, от общего объёма годовая выработка электроэнергии на солнечных электростанциях не превышает 2%.
Основные недостатки – зависимость от погоды и времени суток. Для северных стран извлекать солнечную энергию невыгодно. Конструкции дорогие, за ними нужно «ухаживать» и вовремя утилизировать сами фотоэлементы, в которых содержатся ядовитые вещества (свинец, галлий, мышьяк). Для высокой выработки необходимы огромные площади.
Солнечное электричество распространено там, где оно дешевле обычного: отдалённые обитаемые острова и фермерские участки, космические и морские станции. В тёплых странах с высокими тарифами на электроэнергию, оно может покрывать нужны обычного дома. Например, в Израиле 80% воды нагревается солнечной энергией.
Батареи также устанавливают на беспилотные автомобили, самолёты, дирижабли, .
2. Ветроэнергетика
Запасов энергии ветра в 100 раз больше запасов энергии всех рек на планете. Ветровые станции помогают преобразовывать ветер в электрическую, тепловую и механическую энергию. Главное оборудование – ветрогенераторы (для образования электричества) и ветровые мельницы (для механической энергии).
Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит – особенно в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. К началу 2016 года мощность всех ветрогенераторов обогнала суммарную установленную мощность атомной энергетики.
Недостаток в том, что её нельзя контролировать (сила ветра непостоянна). Ещё ветроустановки могут вызывать радиопомехи и влиять на климат, потому что забирают часть кинетической энергии ветра – правда, учёные пока не знают хорошо это или плохо.
3. Гидроэнергия
Чтобы преобразовать движение воды в электричество нужны гидроэлектростанции (ГЭС) с плотинами и водохранилищами. Их ставят на реках с сильным потоком, которые не пересыхают. Плотины строят для того, чтобы добиться определённого напора воды – он заставляет двигаться лопасти гидротурбины, а она приводит в действие электрогенераторы.
Строить ГЭС дороже и сложнее относительно обычных электростанций, но цена электричества (на российских ГЭС) в два раза ниже. Турбины могут работать в разных режимах мощности и контролировать выработку электричества.
4. Волновая энергетика
Есть много способов генерации электричества из волн, но эффективно работают только три. Они различаются по типу установок на воде. Это камеры, нижняя часть которых погружена в воду, поплавки или установки с искусственным атоллом.
Такие волновые электростанции передают кинетическую энергию морских или океанических волн по кабелю на сушу, где она на специальных станциях преобразуется в электричество.
Этот вид используется мало – 1% от всего производства электроэнергии в мире. Системы тоже дорогие и для них нужен удобный выход к воде, который есть не у каждой страны.
5. Энергия приливов и отливов
Эту энергию берут от естественного подъёма и спада уровня воды. Электростанции ставят только вдоль берега, а перепад воды должен быть не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.
Приливы и отливы хорошо изучены, поэтому этот источник более предсказуем относительно других. Но освоение технологий было медленным и их доля в глобальном производстве мала. Кроме того, приливные циклы не всегда соответствуют норме потребления электричества.
6. Энергия температурного градиента (гидротермальная энергия)
Морская вода имеет неодинаковую температуру на поверхности и в глубине океана. Используя эту разницу, получают электроэнергию.
Первая установка, которая даёт электричество за счёт температуры океана была сделана ещё в 1930 году. Сейчас есть океанические электростанции закрытого, открытого и комбинированного типа в США и Японии.
7. Энергия жидкостной диффузии
Это новый вид альтернативного источника энергии. Осмотическая электростанция, установленная в устье реки, контролирует смешение солёной и пресной воды и извлекает энергию из энтропии жидкостей.
Выравнивание концентрации солей даёт избыточное давление, которое запускает вращение гидротурбины. Пока есть только одна такая энергетическая установка в Норвегии.
8. Геотермальная энергия
Геотермальные станции берут внутреннюю энергию Земли – горячую воду и пар. Их ставят в вулканических районах, где вода у поверхности или добраться до неё можно пробурив скважину (от 3 до 10 км.).
Извлекаемая вода отапливает здания напрямую или через теплообменный блок. Ещё её перерабатывают в электричество, когда горячий пар вращает турбину, соединённую с электрогенератором.
Недостатки: цена, угроза температуре Земли, выбросы углекислого газа и сероводорода.
Больше всего геотермальных станций в США, Филиппинах, Индонезии, Мексике и Исландии.
9. Биотопливо
Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.
- Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.
- Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).
- Третье поколение – биотопливо из водорослей.
Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.
Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.
Плюсы и минусы альтернативной энергии
Главная перспектива альтернативных источников – существования человечества даже в условиях жёсткого дефицита нефти, газа и угля.
Преимущества:
- Доступность – не нужно обладать нефтяными или газовыми месторождениями. Правда, это относится не ко всем видам. Страны без выхода к морю не смогут получать волновую энергию, а геотермальную можно преобразовывать только в вулканических районах.
- Экологичность – при образовании тепла и электричества нет вредных выбросов в окружающую среду.
- Экономия – полученная энергия имеет низкую себестоимость.
Недостатки и проблемы:
- Траты на этапе строительства и обслуживание – оборудование и расходные материалы дорогие. Из-за этого повышается итоговая цена электроэнергии, поэтому она не всегда оправдана экономически. Сейчас главная задача разработчиков снизить себестоимость установок.
- Зависимость от внешних факторов: невозможно контролировать силу ветра, уровень приливов, результат переработки солнечной энергии зависит от географии страны.
- Низкий КПД и маленькая мощность установок (кроме ГЭС). Вырабатываемая мощность не всегда соответствует уровню потребления.
- Влияние на климат. Например, спрос на биотопливо привёл к сокращению посевных площадей для продовольственных культур, а плотины для ГЭС изменили характер рыбных хозяйств.
Возобновляемая энергия в мире
Главный потребитель возобновляемых источников энергии – Евросоюз. В некоторых странах альтернативная энергетика вырабатывает почти 40% от всей электроэнергии. Там уже прижились разные меры поддержки: скидочные тарифы на подключение и возврат денег за покупку оборудования. Не отстают страны Востока и США.
Германия
40% электроэнергии в Германии дают возобновляемые источники. Она лидер по числу ветровых установок, которые генерируют 20,4 % электричества. Оставшаяся доля приходится на гидроэнергетику, биоэнергетику и солнечную энергетику. Немецкое правительство поставило план: вырабатывать 80% энергии за счёт альтернативных источников к 2050 году, но закрывать атомные электростанции пока не хочет.
Исландия
У Исландии очень много горячей воды, потому что она расположилась в зоне вулканической активности. Страна обеспечивает 85% домов отоплением из геотермальных источников и покрывает ими 65% потребностей населения в электроэнергии. Мощность источников настолько велика, что они хотят наладить экспорт энергии в Великобританию.
Швеция
После нефтяного кризиса 1973 года страна стала искать другие источники энергии. Началось всё с ГЭС и АЭС. Из-за атомных станций шведов часто критиковали Greenpeace, но с конца 80-х доля энергии от АЭС не растёт.
Начиная с 90-х Швеция строит оффшорные ветропарки в море. На выбросы предприятиями углерода в атмосферу введён дополнительный налог, а для производителей ветровой, солнечной и биоэнергии есть льготы.
Ещё Швеция активно использует энергию от переработки мусора и даже планирует его закупать у соседних стран, чтобы отказаться от нефти. Некоторые города получают тепло от мусоросжигательных заводов.
Китай
В Китае самая мощная ГЭС в мире – «Три ущелья». По состоянию на 2018 год – это крупнейшее по массе сооружение. Её сплошная бетонная плотина весит 65,5 млн тонн. За 2014 станция произвела рекордные для мира 98,8 млрд кВт⋅ч.
Крупнейшие ветровые ресурсы тоже здесь (три четверти из них поставлены в море). К 2020 году страна планирует выработать при их помощи 210 ГВт.
Ещё тут 2 700 геотермальных источников и делают 63% устройств для преобразования солнечной энергии. Китай занимает третье место в производстве биотоплива на основе этанола.
Альтернативная энергия в России
Разное географическое положение регионов и специфика климатических поясов в России не позволяют развивать эту отрасль равномерно. Нет инвестиций и есть пробелы в законе.
Виды возобновляемой энергии в России
Солнечная энергия
Используется и в промышленных масштабах, и у местного населения как резервный или основной источник тепла и электричества. Мощность всех солнечных установок – 400 МВт, из них самые крупные в Самарской, Астраханской, Оренбургской областях и Крыму. Самая мощная СЭС – «Владиславовка» (Крым). Ещё разрабатываются проекты для Сибири и Дальнего Востока.
Ветровая энергетика
Ветровая возобновляемая энергия в России представлена чуть хуже, чем солнечная, хотя и здесь есть промышленные установки. Общая мощность ветровых генераторов в нашей стране – 183,9 МВт (0,08 % от всей энергосистемы). Больше всего установок – в Крыму, а мощнейшая находится в Адыгее – «Адыгейская ВЭС».
Гидроэнергетика
Это самый популярный вариант альтернативного источника энергии в России. Около 200 речных ГЭС вырабатывают до 20% от всей энергии в стране. В заливе Кислая губа в Мурманской области с 1968 года есть приливная электростанция – «Кислогубская ПЭС». Самая крупная ГЭС стоит на реке Енисей – «Саяно-Шушенская».
Геотермальная энергетика
За счёт обилия вулканов этот вид энергетики распространён на Камчатке. Там 40% потребляемой энергии генерируется на геотермальных источниках. По данным учёных, потенциал Камчатки оценивается в 5000 МВт, а вырабатывается только 80 МВт энергии в год. Ещё геотермальные станции есть на Курилах, Ставропольском и Краснодарском крае.
Биотопливо
Наша страна входит в тройку экспортёров пеллет на европейском рынке. В России есть заводы, создающие из остатков древесины пеллеты и брикеты, которыми топят котлы и печки.
Сельскохозяйственные отходы преобразуют в жидкое топливо и биогаз для дизельных двигателей. А вот свалочный газ не используется вообще, его просто выбрасывают в атмосферу, нанося ущерб окружающей среде.
Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии
Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.
First Solar Inc.
Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.
Vestas Wind Systems A/S
Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.
Atlantica Yield PLC
Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.
ABB Ltd. Asea Brown Boveri
Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.
Учебный год
Лекция 20
Энергосберегающие технологии и освоение новых источников энергии
Условно источники энергии можно поделить на два типа: невозобновляемые и возобновляемые . К первым относятся газ, нефть, уголь, уран и т. д. Технология получения и преобразования энергии из этих источников отработана, но, как правило, не экологична, и многие из них истощаются.
Возобновляемые источники энергии - это источники, которые по человеческим масштабам являются неисчерпаемыми. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из природных ресурсов - таких как солнечный свет, ветер, движении воды в реках или морях, приливы, биотопливо и геотермальная теплота - которые являются возобновляемыми, т.е. пополняются естественным путем.
Перспективы использования возобновляемых источников энергии связаны с их экологической чистотой, низкой стоимостью эксплуатации и ожидаемым топливным дефицитом в традиционной энергетике.
Примеры использования возобновляемой энергии.
1.Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров. Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10-12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Использование энергии ветра растет примерно на 30 процентов в год и широко используется в странах Европы и США.
2. На гидроэлектростанциях (ГЭС) в качестве источника энергии используется потенциальная энергия водного потока, первоисточником которой является Солнце, испаряющее воду, которая затем выпадает на возвышенностях в виде осадков и стекает вниз, формируя реки. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Также возможно использование кинетической энергии водного потока на так называемых свободнопоточных (бесплотинных) ГЭС.
Особенности этого источника энергии:
Себестоимость электроэнергии на ГЭС существенно ниже, чем на всех иных видах электростанций;
Генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии;
Возобновляемый источник энергии;
Значительно меньше воздействует на воздушную среду, чем другие виды электростанций;
Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое;
Часто эффективные ГЭС удалены от потребителей;
Водохранилища часто занимают значительные территории;
Лидерами по выработке гидроэнергии на человека являются Норвегия, Исландия и Канада. Наиболее активное гидростроительство ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии, в этой же стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира.
3.Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.
Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:
Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;
Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин: паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;
Гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах);
Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор);
Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием), преимущество - запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.
Достоинства солнечной энергетики :
Общедоступность и неисчерпаемость источника;
Теоретически полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной способности) земной поверхности и привести к изменению климата.
Недостатки солнечной энергетики :
Зависимость от погоды и времени суток;
Как следствие необходимость аккумуляции энергии;
Высокая стоимость конструкции;
Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли;
Нагрев атмосферы над электростанцией.
4.Приливные электростанции . Электростанциями этого типа являются особым видом гидроэлектростанции, использующим энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды.
Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.
Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками - высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в единой энергосистеме с другими типами электростанций.
5.Геотермальная энергетика - направление энергетики, основанное на производстве электрической и тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температур кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла. Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении. Крупнейшей в мире геотермальной установкой является установка на гейзерах в Калифорнии, с номинальной мощностью 750 МВт.
6.Биотопливо - это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки биологических отходов. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты,топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (биогаз, водород).
США и Бразилия производят 95 % мирового объёма биоэтанола. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из кукурузы. По оценкам Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15%.
Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают на Е10 (некоторые источники утверждают, что можно использовать даже Е15). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. «Flex-Fuel» машины («гибкотопливные» машины). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива.
Критики развития биотопливной индустрии заявляют, что растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных. По расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастёт до 1,2 млрд. человек.
С другой стороны, продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (FAO) в своем отчете говорит о том, что рост потребления биотоплив может помочь диверсифицировать сельскохозяйственную и лесную деятельность, способствуя экономическому развитию. Производство биотоплив позволит создать в развивающихся странах новые рабочие места, снизить зависимость развивающихся стран от импорта нефти. Кроме этого производство биотоплив позволит вовлечь в оборот ныне не используемые земли. Например, в Мозамбике сельское хозяйство ведётся на 4,3 млн. га из 63,5 млн. га потенциально пригодных земель. По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385-472 миллиона гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплив позволит увеличить долю биотоплив до 8 % в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплив может составить от 10 % до 25 %.
7.Водородная энергетика - развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики).
Топливный элемент - электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне - в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе. Топливные элементы - это электрохимические устройства, которые могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую (~80 %). Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент). В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в нее реагенты и сохраняется работоспособность самого элемента. Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30-40 %.
Топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых:
7.1 Высокий КПД : у топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин. Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 42 %, чаще же составляет порядка 35-38 %. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80 %.
7.2Экологичность . В воздух выделяется лишь водяной пар, что является безвредным для окружающей среды. Но это лишь в локальном масштабе. Нужно учитывать экологичность в тех местах, где производятся данные топливные ячейки, так как производство их само по себе уже составляет некую угрозу.
7.3 Компактные размеры . Топливные элементы легче и занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военных приложениях.
Проблемы топливных элементов .
Внедрению топливных элементов на транспорте мешает отсутствие водородной инфраструктуры. Возникает проблема «курицы и яйца» - зачем производить водородные автомобили, если нет инфраструктуры? Зачем строить водородную инфраструктуру, если нет водородного транспорта? Топливные элементы, в силу низкой скорости химических реакций, обладают значительной инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок требуют определённого запаса мощности или применения других технических решений (сверхконденсаторы, аккумуляторные батареи). Также существует проблема получения водорода и хранения водорода. Во-первых, он должен быть достаточно чистый, чтобы не произошло быстрого отравления катализатора, во-вторых, достаточно дешёвый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечного потребителя.
Существует множество способов производства водорода, но в настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Все остальные способы пока дорогостоящи. Существует мнение, что с ростом цен на энергоносители стоимость водорода также растёт, так как он является вторичным энергоносителем. Но себестоимость энергии, производимой из возобновляемых источников, постоянно снижается.
Наверное у каждого возникали вопросы связанные с ВИЭ. Найдем некоторые ответы и развенчаем несколько популярных мифов про нетрадиционную энергетику.
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) сегодня не только «хорошая бизнес-идея» и источник непрекращающегося хайпа, пропаганды и контрпропаганды. Попробуем высказать свою позицию по некоторым повторяющимся мифам в области возобновляемых источников энергии.
Возобновляемые источники энергии: Правда и Мифы
Утверждение(У): «Площади Земли не хватит для того, что бы обеспечить потребности цивилизации с помощью ВИЭ»
Ответ(О): Земля получает от Солнца ~190 петаватт тепловой энергии (это то, что долетает до поверхности), а цивилизация потребляет 500 экзаджоулей первичной энергии за год, т.е. «мощность» человечества - 0,015 петаватт, порядка одной десятитысячной от приходящей энергии.
Есть другая элементарная оценка исходя из выработки имеющихся крупных солнечных электростанций - для обеспечения первичной энергией цивилизации довольно в аккурат хватает площади крупных пустынь.
Основное «но» в этом железобетонном опровержении мифа - неравномерность распределения удобной площади для ВИЭ-генерации по странам. В целом «неравномерность распределения» - это основное, что упускают люди, обобщающие любым образом картинку вокруг ВИЭ, и сегодня эта тема будет звучать рефреном.
Наглядная иллюстрация этого тезиса, хотя и относится только к электроэнергии и не учитывает некоторых потерь, все же дает представление - одной пустыни Сахара в теории хватает, что бы обеспечить человечество энергией.
У: «На производство солнечных панелей и ветрогенераторов затрачивается больше энергии, чем они способны выработать за свой жизненный цикл (EROEI<1)»
О: Это полная ерунда, как показывают более аккуратные замеры. В 2016 году в очередной раз эта тема была поднята в работе Ferroni and Hopkirk 2016, где было показано слегка негативное значение EROEI для накрышной СЭС в Швейцарии.
Однако работа пестрит ошибками, а скорректированное критиками значение оказывается в районе 8. Значение EROEI от 5 до 15 характерно для разнообразных попыток посчитать EROEI кремниевых кристаллических СБ, разброс значения объясняется как разницей условий, в которых расположена СЭС (между Норвегией и Саудовской Аравией разница в выработке одной и той же панели составит примерно 4 раза), так и разницей методики подсчета.
Для других ВИЭ, например ветрогенераторов, проглядываются еще более высокие значения EROEI, от 15 до 50, т.е. здесь критика приходится совсем мимо реальности.
Надо заметить еще, что сам показатель EROEI, хотя и используется учеными, является очень несовершенным. В его «расходной части» находится бесконечный ряд уменьшающихся показателей, которые невозможно учесть, однако если делать это правильно (что-то вроде учета «расход энергии на строительство домов, в которых жили рабочие, построившие завод по производству станков для производства кремниевых вафель для солнечных панелей») мы в итоге приходим к низким значениям EROEI - и действительно, ведь вся получаемая цивилизацией энергия расходуется, EROEI человечества в целом равен что-то около 3 (обратный кпд тепловых машин).
Эта цифра возникает, если осознать, что в реальном мире инвестировать энергию в добычу новой энергии без всей цивилизации за плечами невозможно. В итоге, полученные расчетом значения EROEI зависят в основном от границ подсчета расхода энергии, которые определяются исследователями более-менее произвольно.
Установленная мощность мировой ветроэнергетики. Средний мировой КИУМ ветроэнергетики составил 26%.
Установленная мощность фотовольтаичных батарей. Полезно помнить, что мощность фотовольтаики указывается для «стандартных условий» (поток света 1000 Вт/м^2), а реальный КИУМ получается от 6 до 33% в зависимости от региона и наличия приводов солнечных панелей.
У: «Производство солнечных панелей и аккумуляторов очень неэкологично, но поскольку делают их в основном в Китае, на это закрывают глаза»
О: Я ни разу не видел хоть каких-то цифр, подтверждающих это высказывание, оно и понятно - существуют десятки загрязнителей, которые желательно выразить в виде удельных показателей (например в виде «грамм/квтч выработанный за жизнь панели»), еще и в разных вариантах места производства панелей/аккумуляторов.
Разумеется, есть научные публикации, в которых проделали эту обширную работу, но прежде всего стоит попытаться оценить некоторые моменты самостоятельно. Кремниевые поликристалические панели к настоящему моменту практически окончательно вытеснили конкурировавшие какое-то время назад технологии (кремний-монокристалл, аморфный кремний и тонкопленочные CdTe и CIGS панели), хотя в 2018 году заговорили о возврате монокристалла кремния.
Поликристаллические кремниевые СБ используют, в среднем, 2 грамма кремния на каждый ватт установленной мощности. В 2017 году было установлено примерно 100 гигаватт новых панелей, что соответствует производству 200 тысяч тонн очищенного кремния. На фоне ~4 миллиардов тонн цемента, 1,5 миллиардов тонн стали, 60 млн тонн алюминия или 20 млн тонн меди - никакие, даже особенно грязные, производства полупроводникового кремния не способны вывести его производства в лидеры антирейтингов экологов, просто за счет разрыва в тысячи раз по масштабам с другими базовыми материалами.
Для литий-ионных аккумуляторов, который в 2017 году было выпущено порядка 100 ГВт*ч (забавное совпадение) характерным значением является 5 грамм на ватт*час, т.е. было использовано порядка 500 тысяч тонн материалов.
Есть и более прецизионные расчеты, учитывающие выбросы металлов или СО2 от всех совокупных мощностей, задействованных в производстве солнечных панелей. С учетом того, что эта работа была сделана более 10 лет назад, можно считать ее оценкой сверху, а так же забавной исторической вехой по умирающим нынче конкурентам поликристаллического кремния.
Важная оговорка здесь, впрочем есть. Современная наука предпочитает считать практически неустранимый «углеродный след», т.е. фактически затраты энергии на производство, а не сливы ядовитой органики или хрома в реки, считая, что последнее вполне себе устранимый эффект при правильном проектировании очистных сооружений.
Разумеется, Китай славится неэкологичными производствами, и там этот момент может и не соблюдаться. Тем не менее, принципиальных препятствий для того, чтобы столь малотоннажное производство не вносило негативного экологического эффекта не просматривается.
В итоге, как мне кажется, байка о страшной неэкологичности производства солнечных ВИЭ и аккумуляторов - есть просто механический перенос со стереотипа о неэкологичности и вредности химических производств вообще. В то же время, современная организация таких производств способна обеспечить отсутствие выбросов загрязнений в принципе.
Темпы ежегодного прироста различных энерготехнологий в 2014-2017. Невероятный взлет солнечной энергетики сегодня постепенно притормаживается, а вот невошедшая в этот график морская (offshore) ветроэнергетика разгоняется.
У: «Возобновляемая электроэнергия стала дешевле атомной/угольной/газовой»
О: Если предыдущие мифы горячо обсуждались в основном в предыдущие годы, то сегодня (в 2017-2018) самой обсуждаемой является себестоимость электроэнергии. Понятно почему - пока себестоимость ВИЭ-электричества была выше конкурентов, драйвером развития альтернативной энергетики были в основном нематериальные факторы - забота о экологии, прогрессивность, вещи, которые невозможно измерить, и кроме того в какой-то степени - энергонезависимость стран, внедряющих ВИЭ.
Однако, по мере сближения нормированной стоимости электроэнергии (LCOE) из разных источников складывается ситуация, что цель субсидирования ВИЭ достигнута, и дальше эта технология будет внедряться на рациональных мотивах.
Графическое отображение статистических данных по несубсидированной цене электроэнергии множества проектов возобновляемой энергетики по всему миру в динамике.
Однако, реальность здесь сложна и многогранна. Прежде всего следует вспомнить, что стоимость ВИЭ-энергии в разных точках планеты кардинально различается. Проще всего это проиллюстрировать традиционными ВИЭ - гидроэлектростанциями.
Вы можете в принципе выкопать искусственную реку и перекрыть ее ГЭС в удобном месте, или соорудить высокие бетонные стенки вдоль реки, чтобы перенести створ ГЭС ближе к потребителям, но понятно, что цена электроэнергии с такими решениями будет совершенно неконкурентноспособна. Получается, что есть отдельные точки, где ГЭС гораздо более выгодны, чем в других местах.
Аналогично «новые» ВИЭ - существуют регионы мира, скажем, Аравийский полуостров, Чилийские пустыни, пустыни юго-запада США - в которых стандартная панель выдает значительно больше (в 2-4 раза) электроэнергии в год, чем в Германии или Японии.
Это значит, что если в проектах СЭС в этих регионах LCOE уже упала до 25...50 долларов за МВт*ч, эту цену невозможно автоматически проецировать на любой регион.
Так же неравномерно распределены и затраты на сооружение ВИЭ-электростанций. Это определяется как разницей в стоимости земли, оплате труда и наличии индустрии сооружения ВЭС или СЭС с большим опытом.
В итоге стоимость ВИЭ-электроэнергии для разных проектов в разных точках земного шара оказывается разбросанной в 20 раз для солнца и около 10 раз - для ветра.
В итоге, оценку стоимости ВИЭ-электроэнергии можно сформулировать так: на определенных территориях LCOE ВИЭ-электричества стала ниже традиционных решений и с каждым годом, по мере удешевления технологий, эти территории становятся все больше.
Однако, тема стоимости ВИЭ-электроэнергии и шире, конкурентноспособности ВИЭ, не может быть рассмотрена без еще двух вопросов: субсидирование ВИЭ и переменчивость их, как источника электроэнергии.
У: «ВИЭ-электростанции сплошь субсидируемые, и в чисто рыночных условиях неконкурентоспособны»
О: Как мы уже рассмотрели выше, конкурентность ВИЭ практически полностью определяется месторасположением конкретной станции. Поэтому если, например, механически разделить объемы субсидирования на выработку в киловатт*часах - то это даст в лучшем случае повод для размышления, а не точный инструмент для оценки “чистой” конкурентоспособности ВИЭ.
Тем не менее это будет полезно для понимания масштабов искажения рынков электроэнергии. Для этого стоит отделить субсидии на разработку и исследования от прямой поддержки генераторов электроэнергии. Первый вид субсидий не такие масштабные и более-менее равномерные по разным энерготехнологиях.
Статистика субсидий на разработку энерготехнологий в странах OECD - видно, что 30-40 лет назад атом был безусловным фаворитом.
Прямая поддержка тоже бывает разная по форме: бюджетные деньги на выкуп ВИЭ-э/э в Китае и Великобритании, налоговые вычеты в США, специальная составляющая цены электричества, распределяемая среди ВИЭ-генераторов в Германии, однако всю ее можно свести к легко сравнимому числовому показателю - центы субсидии на киловатт*час выработки ВИЭ.
В 2015 году, например, поддержка по 4 крупнейшим “ВИЭ-странам” выглядела так: В Китае было выделено 4637,9 млн долларов (1184 на ветер и 3453,9 на солнце) на производство 187,7 ТВт*ч электроэнергии, в среднем 2,4 цента за кВт*ч, в Великобритании - 4285 млн долларов на 40,1 ТВт*ч, в среднем по 10,7 цента за кВт*ч, в США было выдано чуть больше 2 миллиарда долларов налоговых кредитов (исключительно на Солнце) при выработке 115,7 ТВт*ч (в основном ветром), т.е 1,6 цента за кВт*ч, в Германии было перераспределено 8821 млн долларов на 96,3 ТВт*ч, т.е. 10,91 цент на кВт*ч.
Надо отметить, что самая богатая страна из широко развивающих ВИЭ - США, тратит совсем небольшие деньги на прямое субсидирование ВИЭ, хотя есть и другие механизмы - например, в Калифорнии есть законодательно установленные доли «зеленой» энергии, который должны быть выкуплены сетями у генераторов.
Эти цифры имеют (к сожалению) и еще осложняющее понимание обстоятельство. Например, в Германии на расходах на поддержку довлеют старые проекты, имеющие субсидии в 5-10 раз выше средних арифметических и получившие это право 10 и более лет назад (FIT закрепляется за объектом генерации на 20 лет).
Кроме того, в 2016-2017 произошло значительное снижение тарифов субсидирования ВИЭ по значимым странам, т.е. цифры из 2015 года сегодня уже неактуальны (в Китае поддержка снизилась в 2 раза, в Германии перешли к аукционам с Strike price в 2-3 раза ниже среднего FIT 2015 года).
Однако как и в предыдущем вопросе видно главное - поддержка очень сильно различается по разным странам. В Европе ценовые диспропорции между ВИЭ и углеводородной энергетикой могут достигать 100% (надо учитывать также обременение угольной генерации налогами на эмиссию СО2), однако быстро идут вниз, в Китае, Индии речь идет о 10..30% поддержки, в США можно говорить о рыночном паритете (хотя в США как раз сбрасывать со счета субсидии на разработку уже нельзя - они больше прямой поддержки).
Фактически, ситуация с субсидиями следует за расширением зон прямой конкурентности ВИЭ, как источников электроэнергии - чем больше их размер, тем меньше субсидии. опубликовано Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .
Возобновляемая энергия – та, что добывается из пополняемых или неисчерпаемых источников. За счет циклического характера процессов, протекающих в природе, некоторые источники пополняются при прохождении полного цикла, что позволяет использовать их регулярно в энергетической отрасли. Другие вовсе неисчерпаемы, что положительно влияет на их доступность в глобальном масштабе.
Какие бывают источники энергии
Источники делятся на два основных вида:
- невозобновляемые;
- возобновляемые.
Первые включают ископаемые виды топлива, которые при добыче и израсходовании не восполняются природой. На данный момент они составляют ¾ от общего объема выработки и потребления энергии. Среди них нефть, газ, уголь. Для возобновляемых обычно используется аббревиатура ВИЭ. Для них характерно воспроизведение за счет естественных природных процессов, образуемых за счет действия следующих явлений: свечение солнца, круговорот воды, сила гравитации, ветер.
Отличие от альтернативных источников
Альтернативные источники включают возобновляемые и другие неископаемые виды энергии: водород, энергия расщепления. Назначение – поиск новых способов получения энергии, способных заменить традиционные виды. Разработка новых методов выработки ведется с целью получения более выгодных при эксплуатации и менее вредных для экологии. Возобновляемые отвечают обоим требованиям.
Подробная классификация и виды ВИЭ
Нетрадиционные источники энергии группируются по двум признакам:
- явление.
Первая классификация используется редко из-за низкой практической применимости, содержит три источника:
- механические;
- химические;
- тепловые.
Вторая классификация разделяет возобновляемые источники по явлениям:
- солнце;
- ветер;
- вода;
- тепло земли;
- биотопливо.
Энергия солнечного света
Солнечные панели в Европе
Ведущее положение среди возобновляемых источников занимает солнечный свет. Для извлечения энергии используются панели, на которых концентрируются солнечные лучи. После этого происходит нагревание и последующая выработка за счет взаимодействия элементов панели: бора и фосфора.
Панели могут устанавливаться на жилые дома, транспорт, а также составлять полноценные солнечные электростанции. Для размещения панелей важен ряд параметров: высота, климат, положение солнца. Используется полученная энергия для выработки электричества, отопления и нагрева воды. Мировая доля солнечной энергетики составляет 1,3% – 301 ГВт/ч.
Среди недостатков технологии выделяют высокую стоимость, низкий коэффициент полезного действия (до 20%), что приводит к низкой экономической целесообразности использования солнечных панелей.
Энергия ветра
Другое явление, широко применяющееся в качестве источника, – ветер. Он возникает за счет разницы давления в атмосфере и обладает кинетическим потенциалом. Это используется при работе ветроэнергетических установок (ВЭУ) – башни с вращающимися лопастями.
Основание башни бывает стационарным, плавучим. Разработка плавучих связана с тем, что оптимальное место установки ВЭУ – прибрежная зона в 10-12 километрах от берега. Стационарные размещают в море, если глубина и рельеф дна позволяют, на равнинной местности.
Главный недостаток ветра – непостоянность. Для избегания этого фактора инженеры заранее анализируют предполагаемую область размещения ВЭУ с учетом силы и направления ветра. Мировая доля ветряной энергетики составляет 2,6% – 600 ГВт/ч.
Использование энергии воды
Для воды характерно то, что сразу несколько ее свойств используются для получения энергии. Напор используется для работы гидроэлектростанций – самый распространенный способ. Менее распространенные методы связаны с приливами, отливами, волнами, течениями, разницей температур на поверхности и глубине.
Вода – возобновляемый источник, составляющий ¾ от объема. Среди всех источников гидроэнергетика дает примерно 15%. За счет круговорота воды в природе обеспечивается энергетическая стабильность.
ГЭС в России
Энергия водного потока
Основной источник в гидроэнергетике – напор. Для этого строятся гидроэлектростанции (ГЭС), перекрывающие русла рек. Образовывающиеся водохранилища и разница уровней воды создают напор, вращающий турбины, от которых генераторы вырабатывают электричество. ГЭС представляют собой плотины и влекут локальные изменения : перекрытие доступа к нерестилищам, затопление территории, образование новых мест обитания водоплавающих. На ГЭС предусмотрена возможность регулирования уровня подачи воды и выработки энергии.
Гидроэнергетика обеспечивает 16% мирового производства энергии, что составляет 25 тысяч ТВт/ч. Например, Парагваю она дает 100% вырабатываемой энергии. Годовая выработка китайской ГЭС «Три ущелья» составляет 98 ТВт/ч – это самая мощная ГЭС в мире.
Энергия приливов и отливов
За счет действия гравитации Луны и Солнца на Земле существует явление приливов и отливов. Во время прилива уровень воды поднимается, по аналогии с действием ГЭС во время отлива может вырабатываться энергия. Для этого в прибрежных районах сооружают приливные электростанции (ПЭС) с генераторами, насосными установками. Последние необходимы в период отсутствия приливов и отливов. Такие электростанции не распространены из-за высокой стоимости строительства, нестабильности работы.
Потенциальная энергия волн
По аналогичной схеме извлекается энергия из волновых движений. Конструкция волновых электростанций, состоящая из поршней, размещенных в специальных отсеках, называется «Морской змей». Внутри них – генераторы и гидравлические двигатели. При прохождении волн кинетическая энергия трансформируется в электрическую за счет волновых колебаний. Недостаток системы – неустойчивость к штормам.
Часть проекта волновой электростанции (Сочи)
Энергия температурного градиента в океане
Вода имеет разную температуру на поверхности и на глубине, что позволяет генерировать энергию. Для этого разрабатываются геотермальные станции, для которых выбирается подходящее место в акватории океана. Для работы активно задействуется солнечное излучение, которое формирует температуру поверхности воды.
Геотермальная энергия недр Земли
Геотермальная станция в Исландии
Земные недра содержат огромное количество энергии, которая сама в некоторых местах вырывается наружу в виде гейзеров и вулканов. Пар и выбросы воды в гейзерах используются для работы геотермальных теплоэлектростанций (ГеоТЭС). Для доступа к источникам бурятся скважины к недрам земли глубиной до полутора километров . Вода подается для отопления или используется для выработки энергии.
Данный вид получения энергии отличается стабильностью и, например, в Исландии дает четверть всего электричества. Основное распространение ГеоТЭС получили в местах действия вулканов и горячих источников. Кроме Исландии, велика доля (более 10%) в следующих странах: Филиппины, Сальвадор, Коста-Рика, Кения, Новая Зеландия, Никарагуа.
Биоэнергетика и биотопливо
Два понятия, тесно связанные друг с другом, – биоэнергетика и биотопливо. Биотопливо в данном случае – источник энергии. К топливу относится сырье, получаемое при переработке биологических отходов живого или растительного происхождения: этанол, метанол, биодизель.
Биотопливо принадлежит к одному из трех поколений:
Ведущее место в производстве и потреблении биотоплива занимает Бразилия, на долю которой приходится до 45% мирового объема.
Плюсы и минусы использования ВИЭ
ВИЭ снижают негативное влияние на окружающую среду, заключающегося в парниковом эффекте, за счет восстанавливаемых естественным образом ресурсов. Как и для других отраслей экономики, энергетике необходима диверсификация, позволяющая избежать зависимости от одного вида сырья.
Из негативных факторов на первый план выходит стоимость внедрения объектов инфраструктуры, которая значительно влияет на итоговую стоимость энергии. Многие виды ВИЭ имеют нестабильный характер и не могут на регулярном уровне обеспечивать потребности в требуемом объеме.
Применение в современной России
Ведущую роль в энергосистеме России играют нефть и газ, обеспечивающие 75% потребления страны. Еще 15% дает уголь, только 10% – ВИЭ и атомная энергетика . Высокая степень обеспеченности энергоресурсами делает отрасль маловосприимчивой к изменению текущего баланса. России располагает значительными запасами как возобновляемых, так и невозобновляемых ресурсов.
Из возобновляемых источников две трети – гидроэнергетика. Остальные виды в незначительных масштабах представлены в разных регионах страны:
Мировые тенденции использования возобновляемых источников
Начиная с XXI века в мире произошел стремительный рост выработки энергии из возобновляемых источников:
- в 22 раза за 13 лет выросла ветряная энергетика;
- в 430 раз за 10 лет выросла солнечная энергетика.
В некоторых регионах приняты государственные программы, призванные увеличить долю энергии, получаемой из возобновляемых источников до 75-100%. Также инициатива исходит от крупнейших корпораций, стремящихся получать 100% из ВИЭ: IKEA, Apple, Google.
Необходимость внедрения ВИЭ
Нетрадиционные виды энергетики призваны заменить действующие, ресурсы которых ограничены. Своевременное внедрение ВИЭ позволит избежать энергетического кризиса, экологических проблем на планете. Некоторые страны способны полностью покрыть свои потребности за счет ВИЭ: Шотландия, Ирландия, Дания. Из-за нестабильного характера источников это не происходит на регулярной основе.
Статистические данные и прогнозы
Прогнозы разных специалистов относительно использования возобновляемых источников регулярно корректируются. Коррекция связана как с развитием нетрадиционных способов, так и традиционных. Одновременно с открытием новых способов выработки энергии, совершенствованием методов, осуществляется разработка и ввод новых месторождений нефти и газа. По одному из прогнозов к 2040 году на ВИЭ придется до половины мирового объема энергетики.
Страны-лидеры по использованию ВИЭ
Дом с солнечной панелью в США
Среди лидеров по применению ВИЭ выделяются как мировые державы, так и малые страны. Среди мировых держав лидеры – США и Китай. Их лидерство выражается в количественном, а не долевом соотношении. Среди малых стран есть те, которые полностью или большей частью обеспечивают себя за счет возобновляемых источников энергии: Исландия, Дания, Уругвай, Коста-Рика, Никарагуа. Высока доля в развитых странах: Великобритании и Германии.
Возобновляемые источники будущего
Яркий пример среди известных возобновляемых источников будущего – водород. Элемент уже активно применяется в ракетном топливе. Ведутся разработки для его широкого применения в транспорте. Непосредственно водород не имеет вредных выбросов в атмосферу, но в чистом виде активно не применяется из-за воспламеняемости при контакте с воздухом, износа элементов двигателя при взаимодействии.
Перспективы ВИЭ
Примеры России и Германии в значении себестоимости производства энергии показывают причину, по которой возобновляемые источники составляют меньшую долю относительно невозобновляемых:
| Источник | Себестоимость 1 КВт/ч в России (руб.) | Себестоимость 1 КВт/ч в Германии (евро) |
| Уголь, нефть, газ | 0,22-0,35 | 0,03-0,05 |
| Атомная | 0,20-0,50 | 0,03 |
| Вода | 0,15-0,20 | 0,04 |
| Ветер | 0,30-0,90 | 0,09 |
| Солнце | 0,35-1,50 | 0,54 |
Исчерапемые ресурсы – наиболее освоенный источник. По экономическим показателям конкуренцию составляет только гидроэнергетика и атомная. Себестоимость от возобновляемых выше в несколько раз.
В последние десятилетия использование возобновляемых источников энергии все чаще становится темой различных научных исследований, совещаний, ассамблей. Люди приходят к пониманию, что добывая для себя ресурсы, мы наносим необратимый вред планете. А с развитием технического прогресса энергии для человечества требуется все больше и больше. Если еще пару десятилетий назад экспериментальные установки, преобразующие энергию ветра или солнца в электрическую и тепловую вызывали саркастические улыбки, то сейчас эти ресурсы уже получили распространение и стали вполне обычным явлением.
Но далеко еще не все знают, что в конструкциях многих современных приборов используются технологии, использующие нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. К примеру, производители компании Bosh производят котлы отопления и ГВС, создали несколько моделей, которые подсоединяются к солнечным коллекторам. В результате этого шага КПД котлов возрос на 110%. Получается, что атмосфера получает намного меньше вреда в виде продуктов сгорания природного газа, а люди получают существенную экономию, благодаря уменьшению потребления газа, следовательно, и оплаты за него.
Польза от экономичных приборов, работающих на возобновляемых источниках энергии понятна, и теперь перед учеными и промышленниками стоит главная задача – провести максимально обширную информационную компанию, которая бы привела человечество к выбору экологичных технологий.
Что такое возобновляемая энергия
Возобновляемая энергия носит еще несколько названий. Это «регенеративная энергия» и «зеленая энергия», то есть энергия, которую вырабатывается природными источниками, и ее добыча совершенно не вредит окружающей среде. Запасы такой энергии неисчерпаемы, размеры их неограниченные, если судить по меркам человечества.
Соотнести обозримое будущее людей и, к примеру, срок жизни солнца, совершенно невозможно. Буквально недавно ученые обнародовали выведенную ими цифру лет, после которой солнце совершенно погаснет. Это 5 миллиардов лет. Очень хочется верить, что жизнь на Земле будет процветать все это время, и что люди будут жить и здравствовать. Но уже сейчас можно предположить, что число людей на планете будет расти, как и сейчас. Для них нужны будут дешевые энергетические ресурсы. Возобновляемые энергетические технологии будут в этом вопросе единственным выходом при условии сохранения планеты, ее богатств животного и растительного мира, климатического разнообразия, ландшафтных красот, чистого воздуха, воды, земли и недр.
Именно поэтому так широко приветствуются уже сейчас технологии получения энергии при помощи ветра, солнца, дождя, геотермальных источников, рек, морей и океанов и пр. Все это возобновляемые источники энергии. Сколько бы человек не пользовался такой энергией, она никогда не иссякнет. Ветер всегда будет дуть, вызывая приливы и отливы, реки всегда будут своей мощью крутить лопасти гидротурбин, солнечные коллекторы будут обеспечивать тепло в жилых домах и больших учреждениях.
Энергоэффективность и энергосбережение в России
Эти два направления входят в общий стратегический план развития России, обозначены они были еще в 2010 году. Государству действительно выгодно, чтобы возобновляемые источники энергии в России действительно применялись. Если завод будет потреблять дешевую и легко получаемую энергию, то снизится себестоимость продукции. При этом снизится цена на товар в магазине, создав сокращение социальной напряженности, и увеличится общая прибыль предприятия. А это значит, что будут созданы новые рабочие места, будут развиваться новые технологии и существенно вырастет уровень средств, перечисляемых предприятием в виде налогов.
Если частный владелец жилья перейдет на потребление возобновляемой энергии, то государству от этого шага опять-таки будет большая польза. Он, во-первых, приобретет новейшее оборудование, что стоит недешево в настоящее время. Во-вторых, человек не будет требовать подвести к его жилью центральные коммуникации. И в третьих, воздействие на экологию сократиться до минимального, следовательно, государство потратит намного меньше средств на природоохранные мероприятия.
Мотивы в масштабе всей России понятны, осталось самое трудное — научить российских граждан рассуждать не только, исходя из собственных затрат, но и с позиций сбережения природных ресурсов. Необходимо донести до населения, что возобновляемые и невозобновляемые источники энергии могут по-разному влиять не только на благосостояние, но и на здоровье и продолжительность жизни нации.
Нефть, газ, торф, каменный уголь – все это ресурсы привычные, эффективные, но невозобновляемые. Да, если рассматривать вопрос с позиции ныне живущих и даже их детей и внуков, то на наш век всего этого хватит. Но загрязнение атмосферы происходит в большей части именно продуктами сгорания этих ресурсов, а болезни от грязного воздуха (астмы, аллергии, иммунная недостаточность, болезни сердца, рак и пр.) – это уже проблема ныне живущих.
Использование возобновляемых источников энергии не только удешевляет добычу и потребление, но и очищает атмосферу, улучшает наше здоровье. И в этом тоже огромная выгода для государства, ведь здоровое общество – гарант высоких показателей экономики, достижений науки, культуры и искусства и пр.
Ученые отмечают, что в нашей стране огромный потенциал для развития использования энергосберегающих технологий. Мы можем добиться показателя в 40% от всего количества потребления энергии. То есть 40% энергии будет производиться с помощью возобновляемых источников. Это 400 миллионов т.у.т. Для справки: 1 т.у.т. – это теплота сгорания 1 килограмма условного топлива. То есть мы можем заменить альтернативными источниками 400 миллионов килограмм топлива в год, дорогостоящего и дающего вредные выхлопы. Такова возобновляемая энергия в России, а если говорить о мире в целом, то этот показатель составляет 20 миллиардов т.у.т. в год! Это более половины всего топливного и энергетического ресурса.
Российское правительство разработало ряд документов, которые определяют регламент работы по внедрению у нас энергоэффективных технологий. Рассчитано их действие до 2030 года.
Очень интересно мнение экономических аналитиков на тему внедрения в России технологий с использованием возобновляемых источников энергии. Они заметили, что поводом для использования крупными бизнес-субъектами новейших разработок, производства экологичных приборов, имеет два мотива. Первичен мотив экономический. Если технология приносит прибыль производителю или пользователю, то она используется и внедряется. А вот улучшение экологии всегда является вторичным мотивом, про него вспоминают только тогда, когда успешно получена прибыль. Менталитет, что поделать!
Возобновляемые источники энергии: мировые тенденции
В этом направлении поражает очень интересная тенденция – наиболее сильно развиваются и применяются все виды возобновляемых источников энергии в развивающихся и небогатых странах. Они, конечно, не приблизились к цифрам затрат передовых стран, но по темпам развития опережают, и достаточно уверенно.
В 2012 году были созданы и получили развитие проекты по возобновляемым технологиям в 138 странах. И две трети от этого числа – развивающиеся страны. Неоспоримым лидером среди них является Китай, в 2012 году он увеличил получение электричества из солнечной энергии на 22%, по государственным расценкам «из солнца» было получено 67 миллиардов долларов! Так же резкий рос развития энергоэффективных и экологичных технологий произошел в Марокко, в Южной Африке, Чили, Мексике, Кении. Блестящих результатов в своих регионах добились Ближний Восток и Африка.
ООН отметила, что благодаря такому эффективному росту был обеспечен доступ всех стран к современным энергетическим услугам, были удвоены темпы повышения эффективности использования альтернативной энергии на Земле, и появилась очевидная вероятность того, что к 2030 году альтернативная энергетика обгонит стандартную.
В развитых странах предпринимаются ряд мер, которые позволяют ускорить процесс строительства установок для получения возобновляемой энергии. В Японии, к примеру, тем, кто устанавливает солнечные батареи, положены льготные тарифы и субсидии на строительство и установку.
Гидроэлектростанции
В этих сооружениях электричество вырабатывается за счет энергии падающей воды. Поэтому строят такие объекты на реках с большим течением и перепадами в уровне на местности. Кроме того, что река никогда не перестанет течь, выработка энергии не приносит никакого вреда окружающему пространству. Мировое сообщество получает таким способом до 20% от всей электроэнергии. Лидеры в этой отрасли – страны, где протекает большое количество многоводных рек: Россия, Норвегия, Канада, Китай, Бразилия, США.
Биотопливо
Биотопливо – это самые разнообразные виды возобновляемых источников энергии. Это отходы различных производств: деревообработки, сельского хозяйства. Да и просто бытовой мусор является ценным источником энергии. Также в выработке альтернативной энергии используются мусор со строительства, от вырубки леса, от производства бумаги, от фермерских хозяйств, мусор с городских свалок и там же вырабатываемый естественным образом метан.
В последнее время в прессе все больше появляется информации, что топливом становятся такие источники, которые ранее даже предположительно ими быть не могли. Это навоз с ферм, это перегнившая трава, это растительное и животное масло. В продукты переработки этих источников добавляется немного дизельного топлива, и далее используется по назначению – для заправки автомобилей! Выхлопы такого топлива во много раз менее токсичны, что особо важно в мегаполисах. Сейчас уже ученые ведут разработку рецептуры и технологии производства биотоплива без добавления дизельного.
Ветер
Технология ветряных мельниц известна издревле. И только в 70-х годах прошлого века люди стали придумывать ветряки в качестве источников альтернативной энергии. Были созданы первые ветряные электростанции. Уже в 80-е годы XX века в селах стали появляться целые ряды генераторов, преобразовывавшие в электрическую энергию ветра. Сейчас лидируют по числу таких электростанций Германия, Дания, Испания, США, Индия и все тот же самый прогрессивный Китай. Отличительная особенность установки таких сооружений – их совсем не низкая себестоимость. Окупается ветряк не очень быстро, и строительство ветряных станций требует первоначальных инвестиций.
Геотермальная энергия
Геотермальные электростанции работают на тепле природных горячих источников, они его преобразовывают в электрическую энергию и снабжают жилые помещения близлежащих населенных пунктов горячей водой. Первая такая электростанция была пущена в эксплуатацию в Италии в 1904 году. Причем работает она до сих пор и довольно успешно! Сейчас такие станции построены в 72 странах мира, лидируют здесь США, Филиппины, Исландия, Кения, Россия.
Океан
Приливы и отливы в прибрежных зонах океана настолько сильны, что своим течением они способны выработать довольно большое количество энергии. Плотиной разгораживаются верхний и нижний бассейны, при движении воды вращаются лопасти турбины, которая приводит в действие генератор электричества. Схема проста, как и все, что связано с возобновляемыми источниками энергии. На планете всего 40 таких станций, потому что мало где соблюдено природой основное требование – разница уровня в бассейнах 5 метров. Построены приливные станции во Франции, Канаде, Китае, Индии, России.
В последнее время все большую популярность приобретает технология «пассивного охлаждения и нагревания». Благодаря ей, совершенно не нужно отапливать или охлаждать жилое помещение, следовательно, происходит экологичное получение энергии из внутренних ресурсов самого дома. Технология включает в себя правильное архитектурное решение, соблюдение размеров окон и наклона козырьков, структуры стен и потолков, а также использование внутренних вентиляторов и деревьев, посаженных рядом с домом. Очень интересная и рачительная технология, проверенная уже не на одном жилом строении.
Несколько слов о будущем
Будущее сегодня кажется немного наивным, как когда-то смешными казались солнечные батареи и ветряные электростанции. Сегодня ученые прогнозируют развитие технологии водородного топлива, энергии синтеза атомов водорода в атом гелия с огромным выделением энергии, а также планируют получать энергию солнца с помощью спутников Земли и использовать энергию черных дыр. Словом, все теории необычайно интересны. Кто знает, может, уже через 5-10 лет все черные дыры нашей галактики будут работать для тепла в наших домах. Главное, чтобы планета наша жила и была чистой и безопасной!
Германия: Ставка на возобновляемые источники энергии
