Альтернативные источники энергии

Некоторые виды возобновляемых источников энергии использовались людьми на протяжении многих веков. Но только к концу XX столетия развитие альтернативной энергетики приняло промышленные масштабы. Причиной этому стал курс на постепенный отказ от ископаемого, а в перспективе и атомного топлива. Исходя из того, что такое альтернативные источники энергии, выделяют семь основных направлений получения неиссякаемой и экологически чистой энергии. На каждом из них мы остановимся подробно.

• Энергия солнца
• Энергия потока воды
• Энергия приливов и отливов
• Энергия морских волн
• Энергия ветра
• Геотермальная энергия
• Энергия биомассы
• Выводы

1. Энергия солнца. Что это и как используется

Является наиболее быстро развивающимся видом возобновляемой энергетики. Такой интерес именно к этому направлению легко объясним. Солнце – наиболее мощный источник энергии на планете. Количество излучения, падающее на поверхность земли, в 6000 раз превосходит нужды всего человечества в энергопотреблении. 

Существует несколько технологий улавливания потока фотонов и преобразования его в электрический ток или тепло. «Приемниками» солнечной энергии выступают:

• Солнечные коллекторы. В промышленном масштабе чаще всего конструктивно представляют собой башню с емкостью-водонагревателем, которая нагревается за счет фокусирования лучей от концентрической системы зеркал. Образовавшийся пар вращает турбины, чем способствует трансформации солнечной энергии в тепловую, а затем электрическую.  Существуют и другие варианты термоэлектрических станций – в частности, параболоцилиндрические и солнечно-вакуумные. Вакуумные солнечные коллекторы – наиболее распространенный вариант для частного пользования с интеграцией их в системах отопления и теплоснабжения дома или квартиры.
• Фотоэлектрические батареи. Создаются на базе полупроводниковых материалов, генерирующих электрический ток из электромагнитного потока света. В первых поколениях панелей использовался кристаллический кремний. Во втором появились редкоземельные металлы. Третье обещает стать наиболее дешевым и экологически безопасным, поскольку создается на основе органики и полимеров.

Сегодня СЭС активно устанавливаются в большинстве стран мира – от небольших станций на крышах частных домов до огромных гелио ферм, занимающих сотни гектаров. Крупнейшие из них, мощностью более 1 ГВт каждая, строятся в Китае, США, странах Африки и на Ближнем Востоке.  

Где и как используется. Во всех сферах жизни – от обеспечения светом и теплом миллионов домохозяйств до потребностей автолюбителей и туристов во время многодневных походов.

Лидеры: Германия, КНР, ОАЭ, Марокко.

2.Энергия потока воды. Что это и как используется.

Гидроэнергетика – один из старейших альтернативных источников, используемых человеком. Мини ГЭС масштабно применялись в Древнем Риме, средневековой Европе и императорском Китае. 

С первой половины 20 века по всему миру стали строиться гидроэлектростанции большой мощности, способные снабжать энергией целые города. В 2020 году энергия падающей воды обеспечивала более 20% всех энергетических потребностей планеты, и составляла около 75% всей альтернативной генерации. Общая мощность гидроустановок сегодня превышает 800 ГВт.

Конструктивно общий принцип работы таких станций предельно прост. Кинетическая энергия воды при падении на лопасти любых механизмов преобразовывается в механическую. Далее вращение колес или турбин позволяет совершать определенную работу или осуществлять дальнейшее преобразование в электрический ток.

Где и как используется. Наиболее широко применяется в местностях, изобилующих крупными и мелкими реками, а также водопадами. Это обуславливает и перечень стран, где ГЭС являются превалирующим, а иногда и единственным видом энергогенерации.

Лидеры:

• Парагвай – 100%;
• Норвегия, Швеция – 98%;
• Канада – 97%.

По генерации на душу населения вне конкуренции находится «страна гейзеров и водопадов» Исландия. 

Крупнейшая в мире ГЭС – «Три ущелья» на реке Янцзы – расположена в Поднебесной. Здесь же, в Китае, вырабатывается почти 50% всей гидроэнергии планеты.

По числу мини ГЭС в первых рядах идут Германия, Австрия, Ирландия, Швеция и некоторые другие.

3. Энергия приливов и отливов. Что это и как используется.

Приливы и отливы – довольно экзотический, но абсолютно надежный и неисчерпаемый альтернативный источник энергии. Данное явление существует на нашей планете благодаря наличию у нее спутника – Луны. В одни и те же промежутки времени, дважды в сутки, ее притяжение заставляет гигантские массы воды отступать или наступать на побережья морей и океанов. Уровень колебаний составляет более 18 метров.

Для получения максимальной генерации необходимо строить вдоль берегов как можно более длинные плотины. Чемпионами среди приливных электростанций сегодня являются:

• ПЭТ «Сих вин» (Южная Корея) – 254 МВт;
• ПЭТ «Ля Ренс» (Франция)  с длиной плотины 804 метра – мощность 240 МВт;
• ПЭТ «See Jan» (Великобритания) – 210 МВт;
• ПЭТ «Annapolice» (Канада) и «Хаммерфест» (Норвегия) – по 200 МВт. 

Общий объем генерации от этого альтернативного источника энергии уступает другим возобновляемым видам. Однако на океанских побережьях, особенно в устьях крупных рек, строительство ПЭТ чрезвычайно выгодно. 

4. Энергия морских волн. Что это и как используется.

Очень мощный, но пока не получивший широкого применения способ получения электроэнергии. Основным препятствием его развития является сложность передачи генерации с морских платформ или специальных суден на берег. 

По этой причине объем выработки в основном используется прямо на месте для следующих целей:

• опреснения морской воды;
• получения чистого водорода путем электролиза;
• участия в производстве алюминия. 

В перспективе ситуация может измениться, но для этого необходимы рост емкости и удешевление стоимости накопительных аккумуляторов.

Среди всех альтернативных источников энергия морских волн позволяет получить самый высокий КПД. Связано это с высокой удельной мощностью колеблющихся водяных масс, достигающей 80 кВт/м при высоте волн всего около двух метров. Поскольку вода намного плотнее воздуха, КПД преобразующих установок достигает 85%. Даже при незначительном количестве генерирующих платформ вдоль побережья такая страна как Германия получает около 5% объема общей выработки электроэнергии именно от них.

Лидеры: Таковыми сегодня выступают практически все развитые страны c большой протяженностью береговой океанской линии. Наибольшим числом волновых генераторов обладает Великобритания, Ирландия, Германия, Норвегия и Дания. 

5.Энергия ветра. Что это и как используется.

Ветроэнергетика – третий по распространенности и объемам выработки альтернативный источник после ГЭС и СЭС. В древнейшие времена человек нашел первый способ использования кинетической энергии ветра, изобретя парус. Следующим шагом стало строительство ветряных мельниц. Но только в прошлом столетии появились возможности преобразования этой силы в электричество, что привело к строительству современных ВЭС.

Уже сегодня ветряки функционируют более чем в 100 странах мира и производят больше электроэнергии, чем АЭС – свыше 1 000 тераватт-часов. К 2025 году ожидаемый объем ветрогенерации должен выйти на уровень 8-10% от общего энергопотребления планеты, а к 2050 составить от 20% до 25%.

Наиболее мощные ветряки устанавливаются вдоль морских побережий и в горах, достигают высоты 150-200 метров. КПД этих устройств достигает 40%, а эффективность при силе ветра от 10 м/с и выше превышает таковую у любых других энергогенерирующих установок.

К главным достоинствам ВЭС, как альтернативного источника энергии, относятся:

• круглосуточное функционирование;
• высокая производительность;
• могут использоваться параллельно с сетью.

Из недостатков следует отметить:

• высокие расходы на монтаж;
• резкое снижение КПД при скорости ветра менее 3-4 м/с;
• сравнительно небольшой срок эксплуатации без обслуживания и ремонта;
• шумность;
• необходимость замены смазки в холодное время года на незамерзающие модификации.

Лидеры – по доле полученного от ветра электричества первые места занимают:

• Дания – 52%;
• Ирландия – 36%;
• Португалия – 30%;
• Германия – 29%;
• Великобритания – 24%.

По состоянию на 2020 год в отрасли занято около 1,2 млн. человек.

6. Геотермальная энергия. Что это и как используется.

Существует две разновидности установок, которые используют этот естественный альтернативный источник. Первые представляют собой грунтовые теплообменники, работающие за счет разницы температур на поверхности земли и достаточно большой глубине. Эффективность их невысока, но низкий КПД компенсируется минимальными затратами на оборудование и чрезвычайно длительным сроком его службы.

Более широко распространена вторая разновидность, где источником тепла являются высокотемпературные грунтовые термальные воды. В Центральной Америке и на Филиппинах с их помощью получают электричество, а в Японии и Исландии применяют для отопления.

Последняя из перечисленных стран является абсолютным мировым лидером по использованию горячих источников — гейзеров. При среднегодовой температуре воздуха этого островного государства около нуля, потребности в обогреве жилищ и промышленных предприятий покрываются геотермальной энергетикой на 99,8%.

Наконец, Исландия занимает второе место в рейтинге RISE мирового банка по доле альтернативной энергетики в общем энергобалансе страны в целом. ВИЭ в этом государстве обеспечивают более 85% потребностей промышленности и населения в энергии. Выше в рейтинге располагается только Дания – 87%. Для сравнения, высокотехнологичная Германия, идущая третьей, получает от солнца, ветра, энергии морских волн и биомассы лишь немногим более 52%.

7.Энергия биомассы. Что это и как используется.

Представляет собой один из самых критикуемых и одновременно многофункциональных альтернативных источников, поскольку используется далеко не только для выработки электроэнергии. Интересна и история развития этого вида «альтернативки».

Изначально сырьем для биомассы выступали преимущественно с/х культуры с большим содержанием жира, крахмала и сахара. Из них в результате переработки получали биодизель и этилированный спирт, которые становились вторичным источником энергии. Однако выращивание подобных культур наносило непоправимый ущерб почвам, и на сегодняшний день подобный путь получения биомассы практически не применяется.

Следующим поколением биологически чистого сырья стала древесина и жмых обычных культивируемых растений. К сожалению, удельная эффективность их использования в качестве альтернативного источника энергии была невелика. Кроме того, объем биомассы по-прежнему зависел от посевных площадей.

Сегодня все крупные мировые производители биомассы перешли на третье поколение – водяные водоросли. Этот вид растений характеризуется рядом важных преимуществ:

• выращивание производится в специальных искусственных бассейнах, строительство которых возможно где угодно;
• производство не требует выделения почв сельскохозяйственного назначения;
• финансовые затраты минимальны, а скорость воспроизводства максимальна в сравнении с любым другим видом растительности;
• удельная масса водорослей на единицу объема – а, значит, и конечный выход энергии – выше, чем у предыдущих поколений биомассы.

Значительно проигрывая по распространенности солнцу и ветру, биотопливо, тем не менее, занимает достойное место в перечне источников альтернативной энергии.

Краткие выводы

1. Динамика роста ВИЭ во всем мире положительна, и составляет около 20% ежегодно на протяжении последних 10-15 лет. 
2. Энергия из альтернативных возобновляемых источников становится дешевле. Уже сегодня во многих регионах мира ту или иную ее разновидность использовать выгоднее, чем традиционные виды топлива.
3. Возобновляемая энергетика гарантирует принципиальную невозможность исчерпания ее запасов.
4. Переход на ВИЭ благотворно влияет на экологию. Особенно заметно это в больших городах и наиболее загрязненных регионах планеты. 
5. В перспективе полный отказ от ископаемых видов топлива поможет сэкономить в масштабах планеты более 13,8 триллиона долларов в год только на медицинских расходах. Прежде всего, это относится к кардинальному уменьшению заболеваний верхних дыхательных путей, кровеносной системы, а также развитию рака.