Альтернативные источники энергии: виды и использование
В течение всего периода развития цивилизации происходила борьба за обретение новых, более эффективных форм энергии. За тысячи лет был пройден путь от овладения огня до применения управляемой ядерной реакции в атомных электростанциях. Поэтому в истории человечества принято выделять несколько энергетических революций, которые заключались в переходе от одного доминирующего первичного источника энергии к другому. Результаты этих изменений затрагивали не только сферу энергетики и экономики, но и меняли социальный и культурный облик цивилизации.
В настоящее время Мировая энергетика находится на перепутье. С увеличением народонаселения Земли экономика требует все больше энергии, а запасы ископаемого топлива, на котором основана традиционная энергетика, не безграничны. Рост стоимости ископаемого топлива усугубляется и тем, что достигшее колоссальных размеров использование углеводородов наносит ощутимый вред окружающей среде, что отражается на качестве жизни населения.
А это означает, что в будущем потребности в энергии, а значит и в новых способах её получения, будут только увеличиваться. На смену эре углеводородов (нефти и газа), придет эра использования альтернативной, чистой энергии.
Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к АИЭ:
Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.
Политический: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы.
Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности.
Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, а на традиционную — постоянно растут.
Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, – всё это увеличивает социальную напряженность.
Эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.
Именно с нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) связывают будущее энергетики. Усилиями мировой науки было обнаружено множество таких источников, большинство из них уже используется более или менее широко. В настоящее время общий вклад ВИЭ в мировой энергобаланс пока невелик, около 20 % конечного потребления энергии. При этом на долю биотоплива и гидроэнергии, используемых традиционными способами, приходится основная часть – около 17 %, на долю нетрадиционных ВИЭ всего около 3 %.
Наиболее известны и частично применяются следующие виды энергии:
— энергия Солнца;
— энергия ветра;
— биоэнергетика;
— энергия приливов и волн;
— тепловая энергия Земли.
— энергия атмосферного электричества и грозовая энергетика.
Из всех существующих видов альтернативной энергетики самыми востребованными являются солнечная, ветро- и гидроэнергетика.
Энергия солнца
Всевозможные гелиоустановки используют солнечное излучение как альтернативный источник энергии.
Излучение Солнца можно использовать как для нужд теплоснабжения, так и для получения электричества.
Существуют разные способы преобразования солнечного излучения в тепловую и электроэнергию и, соответственно, различные типы солнечных электростанций. Наиболее распространены станции, использующие фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), объединенные в солнечные батареи.
Солнечные электростанции активно используются более чем в 80 странах мира. Большинство крупнейших фотоэлектрических установок мира находятся в США.
К преимуществам солнечной энергии можно отнести возобновляемость данного источника энергии, бесшумность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу при переработке солнечного излучения в другие виды энергии.
Недостатками в использовании солнечной энергии являются дороговизна оборудования, зависимость интенсивности солнечного излучения от суточного и сезонного ритма, а также, необходимость больших площадей для строительства солнечных электростанций.
Также серьёзной экологической проблемой является использование при изготовлении фотоэлектрических элементов для гелиосистем ядовитых и токсичных веществ, что создаёт проблему их утилизации.
Энергия ветра
Одним из перспективнейших источников энергии является ветер. Принцип работы ветрогенератора элементарен. Сила ветра, используется для того, чтобы привести в движение ветряное колесо. Это вращение в свою очередь передаётся ротору электрического генератора.
Ветроэнергетические установки (ветряные электростанции) широко используются в США, Китае, Индии, а также в некоторых западноевропейских странах (например в Дании, где 25% всей электроэнергии добывают именно таким способом). Ветроэнергетика является весьма перспективным источником альтернативной энергии, в настоящее время многие страны значительно расширяют использование электростанций данного типа.
Преимуществом ветряного генератора является, прежде всего, то, что в ветряных местах, ветер можно считать неисчерпаемым источником энергии.
Кроме того, ветрогенераторы, производя энергию, не загрязняют атмосферу вредными выбросами.
К недостаткам устройств по производству ветряной энергии можно отнести непостоянство силы ветра и малую мощность единичного ветрогенератора. Также ветрогенераторы известны тем, что производят много шума (вследствие чего их стараются строить вдали от мест проживания людей), мешают перелетам птиц и насекомых, а также создают помехи в прохождении радиоволн и работе военных.
Биоэнергетика
Биоэнергетика позволяет из биотоплива разного вида получать энергию и тепло. Биоэнергетика сейчас находится в стадии активного развития. Крупные промышленные и сельскохозяйственные предприятия активно переходят на биотопливо, что дает им получать электроэнергию и тепло из органического мусора.
К альтернативным источникам энергии относятся не все виды биотоплива: традиционные дрова тоже являются биотопливом, но не являются альтернативным источником энергии. Альтернативное биотопливо бывает твердым (отходы деревообработки и сельского хозяйства), жидким (биодизель и биомазут, а также метанол, этанол, бутанол) и газообразное (водород, метан, биогаз).
Основными преимуществами является утилизация органического мусора, снижение уровня загрязнения окружающей среды. Биотопливо изготавливается из различного сырья, такого как навоз, отходы сельскохозяйственных культур и растений, выращенных специально для топлива. Это возобновляемые ресурсы, которые, вероятно, не закончатся в ближайшее время. Биотопливо снижает выбросы парниковых газов. Кроме того, при выращивании культур для биотоплива они частично поглощают оксид углерода, что делает систему использования биотоплива ещё более устойчивой.
Биотопливо довольно легко транспортировать, оно обладает стабильностью и довольно большой «энергоплотностью», его можно использовать с незначительными модификациями существующих технологий и инфраструктуры.
К недостаткам применения биотоплива относятся:
— ограничения региональной пригодности (в некоторых местностях просто невозможно выращивать биотопливные культуры, например, в местности с холодным или засушливым климатом).
— водопользование – чем меньше воды используется для выращивания сельскохозяйственной культуры, тем лучше, так как вода является ограниченным ресурсом.
— продовольственная безопасность (слишком активное выращивание биотоплива может привести к голоду). Проблема с выращиванием сельскохозяйственных культур для топлива заключается в том, что они займут землю, которую можно было бы использовать для выращивания продуктов питания.
— разрушение среды обитания животных и риск изменения окружающей среды, вследствие применения удобрений и пестицидов при выращивании биотопливных культур (чаще всего это монокультуры для удобства выращивания).
Энергия приливов и волн
Мировой океан аккумулирует энергию в разных видах: энергию биомассы, энергию приливов и отливов, энергию океанических течений, тепловую энергию и др. Проблема заключается в том, чтобы найти экономически и экологически приемлемые способы ее использования. По прогнозным оценкам доступная часть энергии Мирового океана во много раз превышает уровень потребления всех энергетических ресурсов в мире.
По оценкам Ocean Energy Systems, к 2050 г. с помощью подобных технологий можно будет вырабатывать 300 ГВт – это столько же, сколько бы производили 250 ядерных реакторов. А UK Carbon Trust прогнозирует, что к тому времени уже возникнет всемирный рынок приливной энергии стоимостью 126 млрд фунтов стерлингов.
В Японии протестировали устройство, которое генерирует электроэнергию из океанических течений. Испытание установки было проведено на юго-западе префектуры Кагошима. Течения у Кагошимы постоянны по силе и направлению. Турбина экспериментального генератора была установлена на уровне 20-50 м под поверхностью воды. Генератор развил мощность производства электроэнергии всего 30 кВт. Конечно, это немного, но главное – изобретение работает. Ученые полагают, что такой метод генерации электричества может быть более стабильным, чем солнечная энергетика. Организация по разработке новых энергетических и промышленных технологий NEDO надеется внедрить эту технологию в промышленное использование к 2020 г.
В США извлекают энергию из волн.
Исследователи Технологического института Джорджии разработали устройство, преобразующее в электричество энергию волн океана очень широкого диапазона частот. Энергия волн океана — самая слаборазвитая отрасль чистой энергетики. Хотя океан потенциально способен обеспечить энергией весь мир, пока что не существует экономически выгодного способа ее извлечения. Основная проблема в том, что океанские волны непостоянны и колеблются с низкой частотой, тогда как большинство генерирующих устройств лучше всего работают с постоянной амплитудой и высокой частотой.
В прошлом году в проливе Пентленд-Ферт на северном побережье Шотландии началась первая фаза строительства крупнейшей в мире приливной электростанции MeyGen, итоговая мощность которой может достичь 398 МВт. Станция способна обеспечить электричеством 175 тыс. домохозяйств. Возобновляемая энергия приливов стала одним из важнейших направлений новой энергетики, развиваемой в Шотландии. Шотландские приливы, одни из самых мощных в Европе, помогут развить эту многообещающую технологию и сократить выбросы углекислого газа.
Шотландия планирует полностью (на 100%) перейти на возобновляемую электроэнергию уже в 2030 г. Достигнутый в 2016 г. уровень составил около 60%.
Аналогичные технологии применяются уже и в Северной Америке – на побережье Новой Шотландии. Эта провинция на северо-востоке Канады действительно напоминает Шотландию — и не в последнюю очередь благодаря высоким приливам.
В ноябре прошлого года там, в заливе Фанди начал работу первый в Северной Америке приливной электрогенератор. Он занимает пять этажей и весит тысячу тонн, его мощность – 2 МВт, что достаточно для питания 500 домов.
В области разработки новейших решений для использования энергии приливов лидирует Великобритания. Этому способствует идеальная схема приливов и благоприятная регулятивная среда. Канада, Китай и Южная Корея также демонстрируют устойчивый прогресс. США также являются одним из основных центров инноваций в данной сфере.
Основные плюсы – высокая экологичность и низкая себестоимость получения энергии.
К главным минусам приливных электростанций относятся высокая стоимость их строительства и суточные изменения мощности, из-за которых электростанции этого типа целесообразно использовать только в составе энергосистем, использующих также и другие источники энергии.
Тепловая энергия Земли
Огромное количество тепловой энергии хранится в глубинах Земли. Это обусловлено тем, что температура ядра Земли чрезвычайно высока. В некоторых местах земного шара происходит прямой выход высокотемпературной магмы на поверхность Земли: вулканические области, горячие источники воды или пара. Энергию этих геотермальных источников и предлагают использовать в качестве альтернативного источника сторонники геотермальной энергетики. Используют геотермальные источники по-разному. Одни источники служат для теплоснабжения, другие – для получения электричества из тепловой энергии.
Для разработки этого источника энергии используются геотермальные электростанции, использующие энергию высокотемпературных грунтовых вод, а также вулканов.
На данный момент более распространенной является гидротермальная энергетика, использующая энергию горячих подземных источников. Гидротермальная энергетика, основанная на использовании «сухого» тепла земных недр, на данный момент развита слабо; основной проблемой считается низкая рентабельность данного способа получения энергии.
К преимуществам геотермальных источников энергии можно отнести неисчерпаемость и независимость от времени суток и времени года.
К негативным сторонам можно отнести тот факт, что термальные воды сильно минерализованы, а зачастую ещё и насыщены токсичными соединениями. Это делает невозможным сброс отработанных термальных вод в поверхностные водоёмы. Поэтому отработанную воду необходимо закачивать обратно в подземный водоносный горизонт. Кроме того, некоторые учёные-сейсмологи выступают против любого вмешательства в глубокие слои Земли, утверждая, что это может спровоцировать землетрясения.
Атмосферное электричество и грозовая энергетика
Атмосферное электричество может стать еще одним существенным источником экологически чистой энергии.
В нижних слоях атмосферы Земли идут интенсивные процессы испарения, переноса тепла и влаги, образования облаков, сопровождающиеся явлениями электризации. В результате, у поверхности Земли напряженность электростатического поля достигает 100…150 В/м летом и до 300 В/м зимой, значительно изменяясь от погодных условий. В атмосфере постоянно висит положительный объемный заряд величиной около 0,57 млн. кулонов. Энергетический ресурс заряженной атмосферы оценивается величиной около 107 ГВт, что не менее чем в 250 раз превышает потребности человеческой цивилизации в энергии.
Вопросы формирования электрической энергии в атмосфере и использования электричества, сформированного естественным путем, тревожили умы многих ученых на протяжении столетий. Все началось со знаменитого опыта Бенджамина Франклина в июне 1752 года, когда он поднял воздушного змея перед грозовым облаком, и экспериментально доказал, что грозовые явления имеют электрическую природу. В 1850–1860-х годах получили патенты на изобретения в области атмосферного электричества Лумис и Уард в США, во Франции.
Среди тех, кто мечтал завоевать и использовать атмосферное электричество в качестве практически неиссякаемого источника энергии был и знаменитый изобретатель Никола Тесла, предложивший способ преобразования высокого постоянного напряжения атмосферы в низкое переменное. В Финляндии Герман Плаусон провел эксперименты с аэростатами, изготовленными из тонких листов магниево-алюминиевого сплава, покрытого очень острыми, изготовленными электролитическим способом иглами. На свои устройства он в 1920-х годах получил патенты США, Великобритании и Германии.
К сожалению все предложенные грандиозные устройства так и не получили широкого практического применения ввиду их громоздкости, непрактичности, опасности, а самое главное, нестабильности снимаемой мощности, которая целиком зависит от «электрической погоды» в атмосфере. Но ни смотря, ни на что, интерес к исследованиям атмосферного электричества не угас, и в самые недавние годы достигнуты значительные успехи.
Новые исследования, проведенные учеными из университета Кампинаса в Бразилии, позволили по-новому взглянуть на задачу получения энергии из атмосферного электричества.
В результате этих исследований ученые точно определили, каким именно образом происходит процесс формирования и момент высвобождения электричества из капелек влаги скопившейся в воздухе, как создаются электрические заряды в атмосфере, как они распространяются и каким образом они могут быть преобразованы в электрический ток, пригодный для использования.
В качестве преимуществ атмосферных электростанций отмечаются следующие факторы:
— атмосферная электростанция способна вырабатывать энергию постоянно и не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей;
— в случае открытия способа хранения и создания суперконденсатора атмосферного электричества, он будет постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии – солнца и радиоактивных элементов земной коры;
— электроразрядное оборудование атмосферных станций не бросается в глаза. Оно находятся в верхних слоях атмосферы, слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом.
Недостатки:
— атмосферное электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать. Его необходимо либо использовать сразу же, на месте получения, либо преобразовывать в любую другую форму, например в водород;
— значительная разрядка земельно-ионосферного суперконденсатора может нарушить баланс глобального электрического контура. В этом случае последствия для окружающей среды будут непредсказуемы;
— высокое напряжение в системах атмосферных электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала;
— электроразрядное оборудование необходимого размера сложно обслуживать и поддерживать на необходимой высоте. Кроме того, они могут представлять опасность для авиации.
Грозовая энергетика – это пока лишь теоретическое направление. Молния – это сложный электрический процесс. Для того, чтобы «поймать» и удержать энергию молнии, нужно использовать мощные и дорогостоящие конденсаторы, а также разнообразные колебательные системы.
Пока еще грозовая энергетика неоконченный и не совсем сформированный проект, хотя и достаточно перспективный. Его привлекательность состоит в возможности постоянно восстанавливать ресурсы.
Вспышки молний на поверхности Земли происходят практически одновременно в самых разных местах планеты. Специалисты NASA, работая со спутником «Миссия измерения тропических штормов», проводят исследования грозовой активности в разных уголках нашей планеты. Ими собраны данные о частоте происхождения молний и создана соответствующая карта. Были установлены определенные регионы, в которых на протяжении года возникает до 70 ударов молнии на квадратный километр площади, и где в перспективе экономически целесообразно использовать данный вид энергии.
Сейчас ученые всего мира изучают этот сложный процесс и разрабатывают планы и проекты по устранению сопутствующих проблем. Возможно, со временем человечество сможет укротить «строптивую» энергию молнии и перерабатывать ее в ближайшем будущем.
Список литературы
- Боровский, Ю.
В. Современные проблемы мировой энергетики / Ю.В. Боровский, М.: Навона, 2011 г. – 232 с. - Дегтярев, К.С. К вопросу об экономике возобновляющихся источников энергии / К.С. Дегтярев, А.М. Залиханов, А.А. Соловьев, Д.А. Соловьев // Энергия. Экономика. Техника. Экология. – 2016. – № 10. – С. 10–21.
- Довгалюк, Ю.А. О прогнозе развития конвективных облаков и связанных с ними опасных явлений с помощью модели малой размерности / Ю.А. Довгалюк, Н.Е. Веремей, А.А. Синькевич., А.К. Слепухина // Вопросы физики облаков. Сборник статей памяти С.М. Шметера. М: ГУ «НИЦ» Планета, 2008. – 167 с.
- Кузнецов, Д.А. Возможности развития современной грозовой энергетики / Д.А. Кузнецов // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 4-6.
- Огарков, А.И. Большая эффективность малой энергетики / А.И. Огарков // АПК: экономика, управление. – 2007. – № 6. – С. 2–6.
- Суслов, Н.И. Возобновляемые источники энергии в стране, где много традиционных ресурсов: еще о России / Н.
И. Суслов // ЭКО. – 2014. – № 3. – С. 69–87.
Картинки взяты с сайта по ссылке.
Король Раиса Александровна
© Раиса Король, научный сотрудник лаборатории моделирования и минимизации антропогенных рисков
e-mail: [email protected]
Раздел 1. Общие сведения о возобновляемых нетрадиционных источниках энергии
Одним из приоритетных направлений развития энергетики в ХХI в. является широкое использование возобновляемых источников энергии, имеющих огромные ресурсы, что позво7 лит снизить отрицательное влияние энергетики на окружающую среду, повысить энерге7 тическую и экологическую безопасность.
К традиционным источникам энергии относятся: невозобновляемые, включающие уголь, природный газ, нефть, уран; возобновляемые, включающие гидроэнергетику, древесину в виде дров.
Современная энергетика в основном базируется на невозобновляемых источниках энергии, которые, имея ограниченные запасы, являются исчерпаемыми и не могут гарантировать устойчивое развитие мировой энергетики на длительную перспективу, а их использование – один из главных факторов, приводящий к глобальному ухудшению состояния окружающей среды и ее кризисному состоянию.
К нетрадиционным (альтернативным) относятся возобновляемые источники энергии (ВИЭ), которые используют потоки энергии Солнца, энергию ветра, теплоты Земли, биомассы, морей и океанов, рек, существующие постоянно или периодически в окружающей среде и в обозримой перспективе соответственно практически неисчерпаемые. Все ВИЭ разделяются на две группы, использующие прямую энергию солнечного излучения и ее вторичные проявления (косвенная солнечная энергия), а также энергию взаимодействия Солнца, Луны и Земли.
Результатом косвенной деятельности Солнца являются соответствующие эффекты в атмосфере, гидросфере и геосфере в виде энергии ветра, гидроэнергии, энергии течений, волн, приливной энергии, тепловой энергии окружающей среды и др. (рис. 1.1).
К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии относится малая гидроэнергетика с ГЭС мощностью до 30 МВт, а в ряде стран до 10 МВт.
Основными преимуществами ВИЭ по сравнению с традиционными невозобновляемыми источниками являются:
- практически неисчерпаемые ресурсы;
- снижение отрицательного влияния на окружающую среду, включая выбросы различных загрязняющих веществ, парниковых газов, радиоактивное и тепловое загрязнение и др.

Основными факторами, ограничивающими использование нетрадиционных ВИЭ, являются:
- малая плотность энергетического потока, которая составляет, например, для солнечной энергии на поверхности земли 1,36·10-3 МВт/м2, ветровой при скорости ветра 10 м/с – 6·10-4 МВт/м2, геотермальной – 3·10-8 МВт/м2, в то время как для энергии АЭС – 0,2 МВт/м2 ;
- значительная неравномерность выработки энергии во времени и ее использования;
- относительно высокие капиталоемкость энергетических установок и стоимость вырабатываемой электроэнергии.
Необходимость широкого использования ВИЭ определяется быстрым ростом потребности в электрической энергии, которая по прогнозам должна увеличиться по сравнению с 2000 г. в 2 раза к 2030 г. и в 4 раза к 2050 г.; исчерпанием в обозримом будущем разведанных запасов органического топлива; кризисным состоянием окружающей среды в связи с загрязнением оксидами азота и серы, углекислым газом, пылеподобными частицами от сгорания топлива, радиоактивным и тепловым загрязнением и др.
Возобновляемые источники энергии имеют принципиальные отличия, поэтому их эффективное использование является возможным на основе научно разработанных принципов превращения энергии ВИЭ в виды, необходимые потребителям. В окружающей среде всегда существуют потоки возобновляемой энергии, поэтому в процессе развития возобновляемой энергетики необходимо ориентироваться на местные энергоресурсы, выбирая наиболее эффективные из них. Использование ВИЭ должно быть многовариантным и комплексным, что позволит ускорить экономическое развитие регионов. Например, хорошей базой для использования ВИЭ могут служить агропромышленные комплексы, где отходы животноводства и растениеводства являются сырьем для получения биогаза, а также жидкого и твердого топлива, производства удобрений.
Таблица 1.1 Энергетический потенциал возобновляемых источников энергии
Возобновляемые энергоресурсы |
Показатели, млрд. |
|
|
Технический |
Экономический |
|
|
Лучевая энергия Солнца |
5 |
1 |
|
Тепловая энергия морей и океанов |
|
0,1 |
|
Энергия ветра |
5 |
1 |
|
Гидроэнергия, в том числе: |
||
|
энергия водотоков* |
4,5 |
2,6 |
|
|
0,05 |
0. |
|
энергия приливов |
0,7 |
– |
|
Энергия биомассы |
2,55 |
2,0 |
Геотермальная энергия |
0,4 |
0,2 |
* Гидроэнергоресурсы водотоков даны для большой и малой гидроэнергетики.
Для эффективного планирования энергетики на возобновляемых энергоресурсах необходимо: во-первых, систематическое исследование окружающей среды, аналогичное исследованиям геологического характера при поисках нефти или газа, вовторых, изучение потребностей конкретного региона в энергии для промышленного, сельскохозяйственного производства и бытовых потребностей.
Одной из важнейших характеристик возобновляемых источников энергии является их энергетический потенциал – показатель, определяющий количество энергии, свойственное соответствующему виду ВИЭ.
Для оценки энергетических ресурсов возобновляемых источников энергии, возможных для использования, различают следующие виды энергетического потенциала ВИЭ:
- теоретический, характеризующий общее количество энергии;
- технический – часть теоретического потенциала, которую принципиально можно использовать при помощи современных устройств;
- экономически эффективный – часть технического потенциала, которую в настоящее время целесообразно использовать, исходя из экономических, социальных, экологических и других факторов.
Ориентировочные показатели энергетических ресурсов ВИЭ в мире показаны в табл. 1.1.
Что такое возобновляемая энергия и чем она отличается от другой энергии?
Phoenix Energy: 19 февраля 2017 г.
Поделиться:
Мы все слышали термин «возобновляемая энергия», но что он означает на самом деле? Чем это отличается от традиционной энергетики?
Традиционная энергияТрадиционная энергия, также известная как «грязная энергия», представляет собой энергию, источником которой является ископаемое топливо. Есть три основных ископаемых топлива, которые обеспечивают огромное количество электроэнергии в Соединенных Штатах: уголь, нефть и природный газ. Эти традиционные источники электроэнергии сегодня более распространены, потому что возобновляемые ресурсы на протяжении всей истории имели более высокую стоимость.
До сих пор ископаемое топливо было самым дешевым способом обеспечения электроэнергией всей страны. Ландшафт в настоящее время меняется с развитием технологий и переходом к возобновляемым источникам энергии.
Проблема с традиционными источниками электроэнергии заключается в том, что запасы ограничены, в какой-то момент у нас закончатся запасы угля, нефти и природного газа. Никто не знает, когда это произойдет, но в долгосрочной перспективе нам нужна альтернатива. Кроме того, традиционные источники электроэнергии нанесли огромный ущерб планете. Эти источники наносят ущерб воздуху при сжигании топлива и земле, когда источники экстраполируются с земли.
При сжигании ископаемого топлива на электростанции или в автомобиле выделяется углекислый газ. Увеличение уровня углекислого газа в земле приводит к загрязнению воздуха и повышению уровня температуры земли, что приводит к огромному количеству проблем, таких как повышение уровня морской воды и усиление штормов. Когда уголь добывают из земли, иногда используют технику, называемую удалением вершины горы. Они срезают слои гор, чтобы иметь лучший доступ к ископаемому топливу под ними. Это уничтожает реки, леса и горы, оставляя шрамы на земле.
Возобновляемые источники энергии многочисленны и имеют неограниченный срок службы. К возобновляемым источникам относятся солнечная, ветровая, геотермальная и гидроэнергетика. Эта сила исходит от природных сил Земли: солнца, ветра и текущих рек. Этот вид энергии оказывает минимальное негативное воздействие на окружающую среду.
Одна из проблем с некоторыми возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная энергия, заключается в том, что нет возможности хранить эту энергию. Другими словами, ночью, когда нет солнца, вы не можете получить солнечную энергию, поэтому вам не гарантирована энергия 24/7. Трудно стать полностью зависимым от солнечной энергии, если нет способа хранить достаточно энергии в случае отсутствия солнца в течение значительного периода времени. Были достигнуты большие успехи в области хранения энергии, но хранить достаточно энергии для питания Йорк в течение 6 часов было бы почти невозможно в этот момент.
Прямо сейчас нам нужно увеличить количество объектов по производству возобновляемой энергии, которые у нас есть, закрывая при этом худшие традиционные источники (угольные электростанции). По мере развития технологий мы сможем полностью полагаться на возобновляемые ресурсы для получения энергии.
Возобновляемые источники энергии, безусловно, лучший выбор — они полезны для окружающей среды и бесконечны! Чтобы начать выбирать возобновляемые источники энергии для своего дома или бизнеса уже сегодня, свяжитесь с нами по адресу [email protected] для получения дополнительной информации.
Вам также может понравиться
Что такое альтернативные источники энергии? 5 видов альтернативной энергетики
На протяжении нескольких десятков лет ведется немало дискуссий об ущербе, наносимом окружающей среде засорением и выбросом в атмосферу вредных газов. Многие идеи о том, как защитить окружающую среду, были реализованы либо общественным сознанием, либо законом, чтобы помочь очистить землю и уменьшить загрязнение в будущем.
Эти идеи варьируются от переработки до сбора мусора и использования альтернативных источников энергии. Мы сосредоточимся на преимуществах, возможностях и барьерах, связанных с использованием альтернативной энергии.
Альтернативная энергия лучше всего определяется как использование источников энергии, отличных от традиционных ископаемых видов топлива, которые считаются вредными для окружающей среды и которых не хватает. Ископаемые виды топлива состоят из природного газа, угля и нефти. В настоящее время ископаемое топливо является наиболее используемым источником энергии для обогрева наших домов и питания наших автомобилей. Чтобы использовать эти виды топлива в качестве энергии, их необходимо сжечь, а при сжигании этих видов топлива в атмосферу выбрасываются вредные газы, вызывающие загрязнение. Еще одна проблема, связанная с ископаемым топливом, — это его предложение: неясно, как долго хватит запасов нефти и угля при нынешнем уровне потребления или будут ли обнаружены новые запасы до того, как иссякнут текущие запасы.
Оценки того, как долго хватит текущих запасов, составляют от 20 до 400 лет. Из-за этих опасений по поводу ископаемого топлива все больше людей начинают использовать альтернативные источники энергии. Некоторыми популярными альтернативными источниками энергии являются энергия ветра, гидроэлектроэнергия (энергия воды), солнечная энергия, биотопливо и водород. Все эти виды топлива имеют две общие черты: их незначительное воздействие на окружающую среду на Земле и их устойчивость (бесконечное снабжение) в качестве источника энергии.
Итак, если альтернативные источники энергии должны решить наши экологические проблемы и проблемы с поставками, почему мы не перешли на использование исключительно альтернативных источников энергии? Ну, простой ответ заключается в том, что альтернативные источники энергии также имеют общие барьеры для их использования в качестве широко распространенных источников энергии. Эти барьеры включают местоположение, хранение, высокую стоимость производства и использования, а также нестабильную поставку энергии.
Энергия ветра
Энергия ветра не является новым источником энергии. На протяжении сотен лет люди использовали силу ветра для отправки своих кораблей через океаны и использовали ветряные мельницы для измельчения зерна, перекачивания воды и распиливания древесины. Силу ветра легче всего увидеть с помощью детской ветряной мельницы. Основная концепция заключается в том, что когда ветряная мельница удерживается встречными потоками ветра, ветер захватывает изгиб лопастей, заставляя ветряную мельницу вращаться. Это энергия ветра в действии.
Ветряная турбина работает так же, как старомодная ветряная мельница, поскольку она также использует кинетическую энергию ветра (энергию, вызванную движением), чтобы вращать лопасти. Лопасти вращают вал, соединенный с генератором . Генератор – это устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую. Внутри генератора медная катушка перемещается через магнитное поле валом, соединенным с подвижными лопастями.
Это движение заставляет электрический ток течь через медную катушку. Когда генератор механически приводится в действие ветром через ветряную турбину, он может производить электричество.
Энергия ветра считается экологически чистым источником энергии, поскольку при производстве энергии ветра не используются химические процессы. Никаких побочных продуктов, таких как двуокись углерода, не производится, чтобы вызвать загрязнение воздуха или воды. Генерация энергии ветра — это возобновляемый ресурс, который никогда не иссякнет, и это отличный источник энергии для людей, живущих в отдаленных районах, где может быть трудно снабжать их электроэнергией с помощью проводов, подключенных к электростанции, которая находится далеко. Фактическое пространство, занимаемое ветряной турбиной, относительно невелико по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. Диаметр основания составляет всего около шести футов, что делает стоимость недвижимости для ветряной турбины относительно дешевой.
Проблема с использованием энергии ветра заключается в том, что она не всегда является гарантированным источником энергии. Когда ветер не дует, электричество не может быть выработано, и необходимо полагаться на резервный источник энергии. Ветряные электростанции необходимы для коммерческой генерации, что поднимает вопрос об обструкции пейзажа, вызванной таким количеством ветряных турбин, выстроенных рядом друг с другом. Многие люди не хотят видеть несколько ветряков за окнами своей кухни. Другая проблема заключается в опасности, которую эти движущиеся лопасти представляют для птиц, пролетающих в этом районе. Ветряные турбины новой конструкции имеют более крупные лопасти, которые вращаются с меньшей скоростью, чтобы птицы могли их видеть и не застревать в лопастях.
Гидроэлектроэнергия
Термин гидроэлектроэнергия относится к производству электроэнергии за счет энергии воды. «Гидро» происходит от греческого слова «гидра», что означает «вода». Как и энергия ветра, использование воды для получения энергии также имеет более ранние корни, чем современные времена.
Водяные колеса впервые использовались для захвата энергии воды и механического измельчения зерна. Позже они использовались для перекачивания воды, орошения сельскохозяйственных культур, привода лесопилок и текстильных фабрик. Сегодня мы используем водяные турбины так же, как ветряные турбины, для выработки электроэнергии.
Наиболее распространенным источником энергии воды сегодня является гидроэлектростанция. Гидроэлектростанции обычно требуют плотины, построенной на реке, которая создает резервуар с водой. Плотина сдерживает воду до тех пор, пока ворота не откроются, чтобы позволить воде течь. Под действием силы тяжести вода проходит по трубопроводу, называемому водоводом , к турбине. Изменение высоты через затвор помогает воде наращивать давление по мере приближения к турбине. Движущаяся вода достигает турбины и вращает лопасти турбины. Над турбиной находится генератор, который соединен с турбиной валом. Подобно генератору ветряной турбины, генератор в водяной турбине также вырабатывает электричество, перемещая ряд медных катушек мимо магнитов.
Затем трансформатор берет электричество, произведенное генератором, и преобразует его в ток более высокого напряжения. Электричество теперь готово для питания предприятий и домов по линиям электропередач.
Гидроэлектроэнергия — это возобновляемый источник, не производящий отходов и не загрязняющий окружающую среду. В отличие от энергии ветра гидроэнергетика более надежна. Энергия может накапливаться для использования плотиной, сдерживающей воду, пока не потребуется больше энергии. Однако для гидроэлектроэнергии требуется большая электростанция, строительство которой очень дорого. Эти электростанции также требуют строительства плотин на реках, изменяя экосистему района. Вместо реки в районе плотины теперь большое озеро, которое расширяется над местами обитания наземных животных. Количество и качество воды, вытекающей из плотины, может оказывать неблагоприятное (негативное) влияние на растения, живущие на суше и в воде ниже.
Солнечная энергия
Солнечная энергия просто использует солнечный свет в качестве энергии.
Это можно сделать, используя солнечную батарею для преобразования солнечного света в электричество, используя солнечные тепловые панели, которые используют солнечный свет для нагрева воздуха и воды, или пассивно используя солнечную энергию, позволяя солнечному свету проникать через окна для обогрева здания. Суммарная энергия, которую мы получаем от солнца каждый год, примерно в 35 000 раз превышает энергию, которую использует человечество, а это означает, что этот источник энергии, вероятно, является одним из лучших источников для будущего. Задача заключается в использовании и хранении этой энергии экономически эффективным способом.
Одним из самых популярных способов использования солнечной энергии является использование фотогальванических (PV) элементов, также известных как солнечные элементы. Фотоэлементы работают, поглощая частицы солнечной энергии, из которых состоит солнечный свет. Эти частицы называются фотонами. Поглощенные фотоны переносятся на полупроводниковый материал, обычно кремний.
(Полупроводники — это вещества, которые проводят электричество легче, чем изоляторы, но не так легко, как проводники, такие как медь.) Электроны в полупроводнике выбиваются падающими фотонами, оставляя промежутки между связями атомов. И свободные электроны, и открытые пространства могут нести электрический ток. Фотоэлементы построены с одним или несколькими электрическими полями для управления потоком электронов, таким образом, контролируя поток тока. Когда металлические контакты размещаются сверху и снизу фотоэлемента (как у батареи), мы можем извлекать этот электрический ток, чтобы использовать его в нашей повседневной жизни.
Как и вышеупомянутые альтернативные источники энергии, солнечная энергия является возобновляемой и экологически чистой. В отличие от ветряных турбин и гидроэлектроэнергии, фотоэлектрическое преобразование в электричество осуществляется напрямую, то есть не требуется дорогостоящий громоздкий генератор. Как и ветряные турбины, солнечная энергия также может использоваться в удаленных местах, где было бы экономически невозможно обеспечить электроэнергию с удаленной электростанции.
Солнечная энергия также может быть очень эффективной для обеспечения тепла и света за счет использования солнечных печей, солнечных водонагревателей, солнечных обогревателей для дома и использования световых люков.
Солнечная энергия имеет общий недостаток с ветряными турбинами: их непредсказуемость. Солнечная энергия работает только тогда, когда светит солнце, что делает фотоэлементы неэффективными ночью, а в пасмурный день они работают или промахиваются. В это время необходимо реализовать накопление энергии, чтобы сделать солнечную энергию основным источником энергии. Многие формы солнечной энергии до сих пор экономически нецелесообразны. Фотоэлектрические электростанции дороги в строительстве, и их эффективность составляет всего около 10% при производстве энергии. Электростанции требуется около пяти лет, чтобы произвести то же количество энергии, что и первоначальное здание электростанции. С современными технологиями солнечную энергию лучше всего использовать в меньших масштабах, например, в отдельных домах.
Биотопливо
Существует много источников энергии, подпадающих под категорию биотоплива: биомасса, биодизель, этанол и метанол — вот лишь некоторые из них. Основная идея здесь заключается в использовании органических веществ (обычно растительного происхождения) в качестве источника топлива. Биомасса относится к использованию мусора и растительности в качестве источника топлива. Когда мусор разлагается (разлагается), он производит газ под названием метан, который можно улавливать, а затем сжигать для получения энергии, которую можно превратить в электричество. Растительность можно сжигать напрямую, как и ископаемое топливо, для получения энергии. Хотя эти методы действительно помогают в области затрат и устойчивости, они по-прежнему оказывают значительное воздействие на окружающую среду, как и ископаемое топливо.
Этанол и метанол — это два спирта, которые производятся из биомассы. Этанол обычно производят из кукурузы, но его также можно производить из сельскохозяйственных, лесозаготовительных и бумажных отходов.
Метанол также известен как древесный спирт, поскольку его можно производить из дерева; однако большая часть метанола производится с использованием природного газа, поскольку он дешевле. В то время как биодизель является альтернативой дизельным двигателям, этанол и метанол являются альтернативой бензиновым двигателям. Большинство частных транспортных средств имеют бензиновые двигатели и могут использовать смеси этанола с небольшой модификацией двигателя или без нее. Этанол также сгорает чище и производит меньше выбросов парниковых газов, чем бензин. Однако сравнивать цену на этанол с ценой на бензин немного сложно. Один галлон чистого этанола содержит на 34% меньше энергии, чем один галлон чистого бензина. Обычная смесь этанола, E85, представляет собой смесь 85% этанола и 15% бензина и обеспечивает на 27% меньшую экономию топлива, чем 100% бензин. Таким образом, для того, чтобы E85 стоил меньше, чем бензин, он должен иметь снижение цены более чем на 27% по сравнению с бензином. Бензин, который стоит 3 доллара за галлон, имеет такую же экономию топлива, как E85, который стоит 2,19 доллара.
галлон.
Биодизель производится путем объединения растительного масла, такого как рапсовое или соевое масло, и спирта, такого как метанол или этанол. Катализатор часто добавляют для увеличения скорости реакции между растительным маслом и спиртом. Этот процесс получения биодизеля называется переэтерификацией (для получения дополнительной информации о переэтерификации нажмите здесь). Этот химический процесс заставляет глицерин отделяться от жира в растительном масле, оставляя после себя два продукта: метиловый эфир или этиловый эфир (химическое название биодизеля) и глицерин. Глицерин — ценный побочный продукт, часто используемый для изготовления мыла и других продуктов.
Биодизель считается идеальным топливом, потому что он полностью сгорает и может использоваться в любом дизельном двигателе. Его часто смешивают с обычным дизельным топливом, чтобы избежать осложнений при использовании в холодную погоду. Чистое биодизельное топливо превращается в гель при более высокой температуре, чем нефтяное дизельное топливо.
(Соевое биодизельное топливо, купленное в США, начинает желатинизироваться при температуре около 40 ° F.) Это означает, что при минусовых температурах сложнее запустить грузовик, работающий на биодизеле, чем грузовик, работающий на нефтяном дизельном топливе. Биодизель стоит дороже в производстве и, следовательно, стоит дороже, чем дизельное топливо. В противном случае биодизель работает так же, как нефтяное дизельное топливо. Чистое биодизельное топливо и биодизельные смеси выделяют меньше парниковых газов, являются биоразлагаемыми (способны разлагаться естественными процессами) и могут продлить срок службы дизельных двигателей. Некоторые заправочные станции, поставляющие дизельное топливо, также предоставляют биодизельное топливо. Эти розничные торговцы более распространены в штатах Среднего Запада. Вот карта розничных продавцов биодизеля в США.
Водород
Одним из наиболее многообещающих альтернативных видов топлива будущего является водород. Его большие запасы и чистое горение заставляют многих ученых и экологически сознательных граждан рассматривать его как решение для замены ископаемого топлива без радикального изменения нашего нынешнего образа жизни и зависимости от личных транспортных средств.
В отличие от ископаемого топлива, это неуглеродное топливо, поэтому при его сжигании не образуется больше углекислого газа. Водород — самый простой и распространенный элемент на Земле, он содержится в воде, воздухе и всех органических веществах. Однако даже при всех этих плюсах на пути использования водорода в качестве основного источника топлива стоят две основные проблемы: его производство и его хранение.
Существует два основных способа производства водорода: электролиз и риформинг природного газа. Электролиз предполагает использование электрического тока для расщепления молекулы воды на водород и кислород. (Чтобы выделить водород в домашних условиях с помощью электролиза, нажмите здесь.) В процессе риформинга природного газа метан (который является основным компонентом природного газа, используемого для производства водорода) нагревается с помощью пара, вызывая реакцию между метаном и водой. пар, который производит водород, двуокись углерода и следовые количества окиси углерода.
В настоящее время оба метода используют природный газ для производства водорода. Реформирование метана требует отделения водорода от углерода в метан, но для электролиза требуется источник энергии для производства электричества для расщепления молекулы воды. Природный газ чаще всего используется в качестве источника топлива для производства этой электроэнергии. Поскольку оба этих метода требуют потребления природного газа для производства водорода, водород стоит дороже, чем природный газ.
Водород можно использовать для питания транспортных средств двумя способами: для производства электроэнергии в топливном элементе или для непосредственного использования в двигателе внутреннего сгорания. Использование водорода в топливном элементе является более чистым методом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое объединяет водород и кислород для производства электроэнергии. Его единственными побочными продуктами являются тепло и вода, которые не загрязняют окружающую среду.
При использовании водорода непосредственно в двигателе внутреннего сгорания водород сгорает с наружным воздухом (который примерно на две трети состоит из азота), образуя оксидные газы на основе азота, которые вызывают некоторое загрязнение, и водяной пар. Независимо от того, используется ли водород непосредственно в двигателе внутреннего сгорания или в топливном элементе, оба метода требуют хранения водорода для использования во время движения транспортного средства. По весу водород производит больше энергии при сгорании по сравнению с любым другим топливом — один фунт водорода производит в 2,6 раза больше энергии, чем один фунт бензина. Однако водород — это газ, поэтому один фунт водорода занимает в четыре раза больше места, чем один фунт бензина. Например, транспортное средство, вмещающее 15 галлонов бензина, должно содержать 60 галлонов эквивалентной стоимости водорода для производства такого же количества энергии. Бак в автомобиле должен быть размером с две средние ванны, чтобы вмещать водород, необходимый для того, чтобы проехать разумное расстояние без дозаправки.
Однако 15 галлонов бензина будут весить 90 фунтов, тогда как 60 галлонов водорода будут весить всего 34 фунта.
Чтобы решить эту космическую проблему, водород можно превратить в жидкость, которая занимает меньше места, чем водород в виде газа, но для того, чтобы превратить водород в жидкость, его необходимо охладить и поддерживать до -423,2 ° по Фаренгейту. Хранение водорода в виде газа или жидкости очень дорого и обременительно. Тем не менее, на горизонте есть надежда. Министерство энергетики США предложило ученым гранты на поиск способов улучшения хранения водорода в небольших транспортных средствах за счет улучшения сжатия и сжижения водорода, использования гидридов металлов для хранения большего количества водорода без увеличения веса транспортного средства и улучшения использование адсорбирующих материалов для сбора и удержания газообразного водорода на поверхности твердого тела. Однако, даже если мы преодолеем проблему хранения, мы все равно столкнемся с препятствиями и затратами на замену всех автомобилей с бензиновым двигателем на автомобили с водородным двигателем и замену бензиновых заправочных станций на водородные заправочные станции, чтобы стать Америкой, основанной на водороде.

В. Современные проблемы мировой энергетики / Ю.В. Боровский, М.: Навона, 2011 г. – 232 с.
И. Суслов // ЭКО. – 2014. – № 3. – С. 69–87.
т у.т./год
01