Мировое использование различных видов альтернативных источников энергии
В наше время гидроэнергетика имеет наибольшую мощность из всех видов энергетики на возобновляемых ресурсах. Некоторые страны из-за особенностей природных условий сместили вектор развития на солнечные и ветровые энергоустановки. Мировые лидеры по доле энергии ветра в общем энергобалансе страны:
- Дания – 42%;
- Португалия – 27%;
- Никарагуа – 21%;
- Испания – 20%.
В 2014 году в Дании ветроустановки производили 39% от всего электричества, в 2015 году – уже 42%, и доля ветровой энергии продолжает расти.
Рост альтернативной энергетики в Европе достигается за счет ветровых, солнечных и биотопливных энегоустановок. Опережают среднемировые показатели по переходу на «зеленую» энергию США, Китай, Австралия, Германия и страны из предыдущего списка.
В 2010 году 4,9% всей мировой электроэнергии составляла энергия альтернативных источников. В 2018 году доля «зеленой» энергии достигла 8,4%. При подсчете не учитывались крупные ГЭС. По прогнозам, к 2030 году доля альтернативной энергетики составит 35% всего мирового энергопотребления.
Россия, как страна альтернативных источников энергии
Поскольку Россия входит в число одних из самых технически развитых стран мира, большое внимание уделяется добыче и использованию альтернативных источников энергии. На просторах больших территорий, к сожалению в настоящее время нет централизованных источников энергии
К том уже мы еще не втянуты в общемировую тенденциею, связанную с борьбой за экологию планеты и экономией традиционных видов топлива.
Россия
В каждом, отдельно взятом регионе нашей страны, применяются подходящие этому региону виды альтернативной энергетики. Это связано с географическим положением. А так же возможностью использования того или иного первоисточника получения энергии.
Солнечная энергетика
Солнечные электростанции в настоящее время, получают все большее распространение среди различных слоев населения, как альтернативный или резервный источник электрической и тепловой энергии.
Данный вид энергетики так же применяется в промышленности в нашей стране.
Наиболее крупными солнечными электростануциями, мощностью в 400,0 МВт являются:
- Орская им. А. А. Влазнева, установленной мощностью 40,0 МВт в Оренбургской области;
- Бурибаевская, мощностью 20,0 МВт и Бугульчанская, мощностью 15,0 МВт, в Республике Башкортостан;
- На полуострове Крым функционирует более десяти солнечных электростанций мощностью 20,0 МВт каждая.
Еще на стадии разработки можно насчитать более 50 объектов солнечной генерации на различных этапах строительства. Их место расположения от Дальнего Востока и Сибири, до центральных и южных областей нашей страны.
Общая мощность проектируемых и строящихся объектов составляет более 850,0 МВт.
Ветровая энергетика
Ветряки, работающие для получения электрической энергии в промышленных масштабах, в нашей стране не достигают таких больших масштабов, как солнечные электростанции.
Общая установленная мощность ветровых генераторов составляет чуть больше чем 100,0 МВт. Самые мощные из них это:
- Зеленоградская ветровая установка, мощностью 5,1 МВт, расположенная в Калининградской области;
- Останинская (25,0 МВт), Тарханкутская (22,0 МВт) и Сакская (20,0 МВт) – на полуострове Крым.
Также на стадии проектирования и строительства у нас есть 22 ветровые энергетические установки. Их общая мощность более 2500,0 МВт.
Гидроэнергетика
Как раз самый распространенный вид альтернативной энергетики на территории России. На настоящее время доля вырабатываемой электрической энергии ГЭС в разных регионах страны на реках, превышает 20,0 %. Отчет идет от общей генерации всей энергосистемы РФ.
Геотермальная энергетика
Это энергия тепла недр всей планеты, широко используется в ряде стран, где присутствует вулканическая деятельность. У нас данный вид энергетики расположен на Дальнем Востоке, в меру особенностей этого региона.
Их мощность 80,1 МВт. В настоящее время успешно работает 5 геотермальных электрических станций. Из них три расположены на Камчатке (Мутновская, Паужетская и Верхне-Мунтовская), остальные две — на островах Кунашир (Менделеевская) и Итуруп (Океанская).
Использование биотоплива
Использование биотоплива
Наша страна числится в лидерах по экспорту биотоплива на европейский рынок
У нас же это не самый распространенный вид энергоресурсов, как традиционные виды топлива.Однако, в связи с развитием лесной и деревообрабатывающей промышленности, большие территории заняты под сельскохозяйственные культуры, что сподвигло обратить внимание на этот вид энергетики
Последние годы было построено большое количество заводов по переработке отходов древесины. Из них изготавливаются такие материалы, как топливные брикеты и гранулы (пеллеты).
Брикеты и пеллеты, в свою очередь, используются в качестве топлива для различного типа котлов в результате сжигания которых, вырабатывается тепловая и электрическая энергии.
А из отходов сельскохозяйственных культур производится биогаз и жидкое топливо. Оно подходит для применения в двигателях и дизельных установках, там их сжигают, в результате чего производится тепловая и электрическая энергия.
Хоть биотопливо пока не имеет широкого распространения в нашей стране, тем не менее перспективы его развития, достаточно обширны и успешны.
Гидроэнергетика
Человек стал использовать энергию течения рек задолго до изобретения электричества, ведь первые водяные мельницы появились ещё до нашей эры. Долгое время гидроэнергетика была единственным экономически рентабельным источником возобновляемой энергии. Плотина гидроэлектростанции перегораживает русло реки, в результате чего создается разница в уровне воды, а также водохранилище. При сбросе воды она крутит турбины, за счет чего и вырабатывается электричество.
Расходы на строительство ГЭС очень велики, однако затраты, связанные с ее эксплуатацией чрезвычайно малы. В результате себестоимость электроэнергии оказывается значительно ниже, чем при сжигании топлива. Считается, что экологический ущерб наносит водохранилище, которое затапливает огромные территории. Однако оно дает возможность выравнивать мощность электростанции, а также может использоваться местными жителями для пляжного отдыха.
Сегодня именно ГЭС являются самыми мощными электростанциями на нашей планете. Рекордсмен – «Три ущелья» на реке Янцзы (Китай) с мощностью 22,5 ГВт, за год вырабатывающая порядка 100 млрд Квт·ч. На гидроэнергетику приходится более половины энергии, вырабатываемой с помощью возобновляемых источников.
Ядерная
Альберт Эйнштейн сказал нам, что грань между материей и энергией нечеткая. Энергия будущего может быть произведена путем разделения или слияния ядер — процессы известные как ядерные реакции деления и образования более тяжелых ядер где выделяется термоядерная энергия.
Ядерное атомное деление высвобождает вредную радиацию и производит большое количество радиоактивных материалов, которые могут оставаться активными в течение тысяч лет и могут разрушать целые экосистемы в случае утечки. Существует также озабоченность по поводу того, что ядерный материал может быть использован в оружии.
В настоящее время большинство атомных электростанций используют деление, и для производства требуется поддержание необходимых температур.
Также известно природное явление, как сонолюминесценция.
Сонолюминесценция может однажды стать средством обладающим гигантскими ядерными и термоядерными реакторами в стакане жидкости.
Сонолюминесценция относится к вспышке света, когда специальные жидкости создают высокоэнергетические звуковые волны. Звуковые волны разрывают жидкость и производят крошечные пузырьки, которые быстро расширяются, а затем сильно разрушаются
Свет производится в процессе, но что более важно, внутренности взрывающихся пузырьков достигают чрезвычайно высоких температур и давлений. Ученые предполагают что этого может быть достаточно для ядерного синтеза
Ученые также экспериментируют с методами создания управляемого ядерного синтеза, ускоряя «тяжелые» ионы водорода в мощном электрическом поле.
Гидроэнергетика
К возобновляемым источникам энергии относятся широко распространенные гидроэлектростанции. На этих объектах используется потенциальная энергия водных потоков.
Традиционные гидроэлектростанции
Возводят гидроэлектростанции, как правило, на реках. Для создания необходимого давления воды создают мощные плотины и объемные хранилища воды. Как разновидность, используют бесплотинные ГЭС.
Данным объектам (ГЭС) гидроэнергетики присущи следующие особенности.
Положительные:
- высокий КПД при сравнительно малых экономических затратах на строительство и дальнейшую эксплуатацию станции, отсюда низкая себестоимость электроэнергии;
- отсутствуют вредные выбросы в атмосферу;
- водохранилище как фактор, улучшающий микроклимат в районе ГЭС;
- возможность разведения рыб;
- предотвращает появление паводков, используется для орошения сельхозугодий, технического применения на заводах;
- обладают механизмом регулирования потребления энергии.
Отрицательные:
- водохранилища затопляют обширные территории, занимают земли, пригодные для сельского хозяйства;
- перекрытие рек существенно меняет условия для обитания ценных видов проходных рыб, многие из которых исчезают из облюбованных ранее водоемов.
Гидроэлектростанции, как возобновляемые источники энергии, эффективны для поставки электроэнергии в горные участки. Они имеются в Швейцарии, на территории России. В мировом объеме поставляемой энергии доля гидроресурсов составляет около трех процентов. В Канаде, Исландии и Китае основную часть электроэнергии вырабатывают именно гидростанции.
Красноярская гидроэлектростанция
В России строительство гидроэлектростанций всегда считалось выгодным направлением. В наши дни гидростанции вырабатывают 6 процентов электроэнергии страны. Площади крупнейших водохранилищ ГЭС составляют тысячи квадратных километров. В пример можно привести размеры Самарского водохранилища, площадь которого превышает 6400 км2.
Приливные электростанции
Особой разновидностью гидроэнергетики являются приливные электростанции, работающие на основе использования энергии приливов и отливов. Они возводятся на побережьях, где под воздействием гравитационных сил Солнца и Луны ежедневно меняется уровень воды морских и речных водоемов. Залив или устье реки перегораживают дамбой. Встроенный в неё гидроагрегат с огромными лопастями и преобразует силу прибоя в электроэнергию.
Так устроена приливная гидроэлектростанция
Такая форма получения энергии из неисчерпаемого источника очень экологична, имеет малую себестоимость. Однако само строительство требует больших вложений. Кроме того, перепады в мощности не позволяют поставлять электроэнергию в постоянном режиме. Тем не менее, станции ПЭС ценят за высокую эффективность и малое влияние на экологию. Их строительство продолжается во многих странах.
Волновые электростанции
Энергия волн представляет собой огромный потенциал. Удельную мощность морских и океанских волновых колебаний оценивают гораздо выше солнечной и ветровой. Специалисты подсчитали, что мощность волн мирового океана равна примерно 30 процентам всей потребляемой электроэнергии на Земле.
Волновая гидроэлектростанция Oyster в Шотландской прибрежной зоне мощностью 600 кВт
Работа волновых электростанций построена на превращении потенциальной энергии волн в электрическую. Выбор места строительства подобных объектов получения электричества обусловлен особенностями региона, наличием крупных водоемов и сильных ветров.
Гидроэнергетика будущего
Гидроэнергетика не стоит на месте. Постоянно придумываются новые специфические виды использования силы мирового океана. К примеру, в данный момент разрабатываются технологии использования в энергетике морских течений и разницы температур на различных глубинах.
Океанские и морские течения (Куросио, Гольфстрима и т.п.) также обладают определенной энергетической силой, потенциал которой на практике пока не оценен. Но ученые и проектировщики считают возведение гидростанций, использующих энергию водных течений, перспективном направлением в морской энергетике. Согласно технологии, применяют специальные преобразователи в виде объемных и водяных насосов.
Роторная система Seagen, расположенная у побережья Ирландии, преобразует энергию течений в электроэнергию
Электроэнергию можно получать, используя разницу температур поверхности и глубинных слоев моря или океана. Разность на глубине 400 м и верхнего слоя воды составляет 12 градусов. В данный момент уже существуют экспериментальные системы преобразования разницы температур в электричество, основанные на пьезоэффекте.
Человек-батарейка
А как относиться к получению энергии из самого человека? Казалось бы, это просто литературная причуда, призванная сделать вымышленную вселенную пострашнее. Судите сами: в романе украинских писателей-фантастов, пишущих под псевдонимом Генри Лайон Олди, «Ойкумена» рабовладельцы получили способность перекачивать жизненную энергию из тел рабов, в результате появились и летательные аппараты, и транспорт, и даже фабрики, работающие на энергии людей (но энергии отнюдь не мускульной). Также, думаю, все помнят, что в знаменитом фильме братьев Вачовски «Матрица» захватившие власть на планете машины держат людей в особых капсулах и используют в качестве батареек (энергия солнца в этой вселенной им недоступна из-за искусственно созданной облачности).
Абсурд? Не все так просто. Человеческое тело действительно выделяет тепло, и электроника с низким энергопотреблением могла бы подзаряжаться от нас. Системы такой подзарядки разрабатывают в разных странах: в США похожий проект выдвинули Ананта Чандракасан и Йогеш Рамадас из МТИ, а в России над подобной технологией работают в университете МИСиС.
Кстати, простую мускульную энергию человека не надо сбрасывать со счетов. Вопрос, который беспокоит и инженеров, и писателей, заключается в том, чтобы ее аккумулировать. Хорошо бы, скажем, поработав часок на велотренажере, потом использовать эту энергию, чтобы доехать до работы. Или, остановившись на светофоре, продолжать крутить педали, заряжая свой велосипед. Инженеры размышляют над тем, чтобы использовать для этих целей так называемый маховичный накопитель энергии. А в романе американского фантаста Паоло Бачигалупи «Заводная» для этого используют особые пружины. Источники углеводородного топлива во вселенной Бачигалупи истощились, вся техника работает на пружинах…
Кстати, пружины из романа Бачигалупи пригодись бы и нашей цивилизации. Дело в том, что получать энергию человечество умеет самыми разнообразными способами, а вот аккумулировать ее получается куда хуже. Решение проблемы емкого аккумулятора существует только в фантастике, например в цикле романов Вадима Панова «Анклавы», где изобретены некие сверхъемкие «батареи Ллейтона»: благодаря им человечество легко пересело с бензиновых автомобилей на электротранспорт. Хотя Илон Маск грозит разогнать аккумуляторы Tesla до пробега миллиона миль на одной зарядке. В России единственным производством подобных литий-ионных накопителей большой емкости обладает компания РОСНАНО «Лиотех», для домашнего использования вы можете заказать системы компании ENRU. А качественный скачок технологии способен обеспечить уникальный продукт нанотехнологий — одностенные углеродные нанотрубки, промышленным производством которых занимается роснановская компания OCSiAl — первый российский «единорог» в material based индустриях.
А еще стартап «Энергозапас» уже построил прототип гравитационного накопителя: ночью, когда электроэнергия дешевая, а потребителей мало, такая станция поднимает грузы на высоту, днем же, когда электроэнергии не хватает и она дорогая, грузы опускаются вниз, возвращая энергию в сеть. Есть планы построить подобный твердотельный накопитель в «Сколково».
Энергия океанов
Океанами покрыта значительная часть поверхности земного шара, и возможность использования этого огромного неисчерпаемого ресурса могла бы стать отличной альтернативой традиционной углеводородной энергетике. Принцип действия приливных электростанций заключается в следующем. Область прилива делится плотиной на две зоны. Во время прилива и отлива вода перемещается по этим зонам, вращая турбины.
При всех своих преимуществах приливная энергетика имеет ограничения на свое использование. Строительство электростанции в зоне прилива потребует значительных капиталовложений. Для того, чтобы немалые инвестиции смогли окупиться, станция должна вырабатывать большое количество энергии, а значит, расстояние между двумя бассейнами должно быть не менее пяти метров. Это ограничение сразу делает повсеместное строительство электростанций на побережье морей и океанов невозможным, так как по критерию экономической целесообразности строительства на земле насчитается всего лишь порядка 40 мест, где электростанция действительно будет эффективной.
Энергия воды
По итогам 2017 года 15% энергии в мире было произведено на гидроэлектростанциях. Среди альтернативных источников энергии доля воды — 50%.
Дорогое обслуживание. Вода, как источник энергии, дороже солнца и ветра, но и используется дольше них. Выбрать подходящее место для гидроэлектростанции сложнее, чем для солнечной панели или ветряной турбины, и само строительство будет дорогим. Еще и затраты на обслуживание высокие. Поэтому выработка электричества с помощью воды растет меньше, в отличие от ветра и солнца.
Лидер в мировой выработке гидроэнергетики Китай — 28% от мирового производства, на втором месте Бразилия — 9%. У России 5 место и 4,3% от мировой выработки.
Основные виды возобновляемой энергетики
Энергия солнца
Солнечная энергия считается ведущим и экологически чистым источником энергии. На сегодня для получения электроэнергии разработаны и используются термодинамический и фотоэлектрический метод. Подтверждается концепция работоспособности и перспективности наноантенн. Солнце, являясь неистощимым источником экологически чистой энергии, вполне может обеспечить потребности человечества.
Энергия ветра
Давно и успешно используется людьми энергия ветра, ветряков. Ученые разрабатывают новые и совершенствуют имеющиеся ветряные электростанции. Снижая затраты и повышая КПД ветряков. Особую актуальность они имеют на побережьях и в местностях с постоянными ветрами. Преобразуя кинетическую энергию воздушных масс в дешевую электрическую энергию, ветряные электростанции уже сегодня вносят существенный вклад в энергосистему отдельных стран.
Геотермальная энергетика
Источники геотермальной энергии используют неисчерпаемый источник — внутреннее тепло Земли. Существует несколько рабочих схем, не меняющих суть процесса. Природный пар очищают от газов и подают в турбины, вращающие электрогенераторы. Подобные установки работают по всему миру. Геотермальные источники дают электричество, греют целые города и освещают улицы. Но мощность геотермальной энергетики использована очень мало, а технологии получения имеют низкий КПД.
Приливная и волновая энергетика
Приливная и волновая энергетика – это бурно развивающийся способ преобразования потенциальной энергии движения водяных масс в электрическую энергию. Имея высокий коэффициент преобразования энергии, технология имеет большой потенциал. Правда, может использоваться только на побережьях океанов и морей.
Биомассовая энергетика
Процесс разложения биомассы приводит к выделению газа имеющим в своем составе метан. Очищенным, он используется для выработки электроэнергии, обогрева помещений и других хозяйственных нужд. Существуют небольшие предприятия, полностью обеспечивающие свои энергетические потребности.
Проект нетрадиционного источника энергии
Несмотря на такие перспективы использования фотосинтез источник энергии ряд основных препятствий остаются. Ученые сосредоточены на использовании нескольких подходов к преодолению этих препятствий. Во-первых фотоэлектрохимические ячейки, как правило, имеют эффективность примерно на 10 процентов, показатель, который должен увеличиваться для солнечных батарей, чтобы даже рассматривать для практического использования способ искусственного фотосинтеза. Основным источником этой неэффективности является потеря заряда при разделении в фотоэлектрохимических ячейках — разделение электрона и протона между анодом и катодом при химическом процессе в ячейке. В последнее время ученые занимаются изучением класса молекул, которые способствуют односторонней электронной передачи для решения этой неэффективности и исследуют улучшения конструкции: фотосинтез — энергия.
Еще одной областью исследований является разработка новых катализаторов для процесса окисления воды. Катализатор на основе иридиума в настоящее время используется во многих конструкциях фотохимических клеток и является эффективным, но довольно дорогим и редким. Природа, напротив, использует марганцевый продукт для реакций окисления воды. В результате прорабатываются идеи для исследований катализаторов на основе биологических марганцевых соединений и разработка катализаторов на основе более простых материалов.
Исследователи надеются на решение ключевых проблем искусственного фотосинтеза для энергетических исследований.
Очевидно многие проблемы сохраняются до желаемого прорыва в технологии солнечной энергии. Тем не менее с учетом исследовательской деятельности перспективные источники энергии имеют будущее.
4 место. Приливные и волновые электростанции
Традиционные гидроэлектростанции работают по следующему принципу:
- Напор воды поступает на турбины.
- Турбины начинают вращаться.
- Вращение передаётся на генераторы, которые вырабатывают электроэнергию.
Строительство ГЭС обходится дороже ТЭС и возможно только в местах с большими запасами энергии воды. Но самая главная проблема – это нанесение вреда экосистемам из-за необходимости строительства плотин.
Приливные электростанции работают по схожему принципу, но используют для выработки энергии силу приливов и отливов.
«Водные» виды альтернативной энергетики включают такое интересное направление, как волновая энергетика. Её суть сводится к генерации электричества посредством использования энергии волн океана, которая гораздо выше приливной. Самой мощной волновой электростанцией на сегодня является Pelamis P-750, которая вырабатывает 2,25 МВт электрической энергии.
Раскачиваясь на волнах, эти огромные конвекторы («змеи») изгибаются, вследствие чего внутри приходят в движение гидравлические поршни. Они прокачивают масло через гидравлические двигатели, которые в свою очередь вращают электрогенераторы. Полученное электричество доставляется на берег через кабель, который проложен по дну. В перспективе количество конвекторов будет многократно увеличено и станция сможет вырабатывать до 21 МВт.
Солнечные трекеры
Конструкторы стараются выжимать из солнечных панелей максимум. Одним из самых очевидных решений здесь кажется постоянный поворот батарей в сторону источника энергии. Генерирующие ток элементы наиболее эффективны, когда лучи падают на них прямо, а не под углом. Поэтому традиционно они устанавливались в позиции, в которой на них наибольшее количество времени светит Солнце. Понятно, что это не идеальное решение, так как положение нашей звезды на небосклоне меняется не только в зависимости от времени суток, но ещё и в течение года. Чтобы исправить эту ситуацию, инженеры изобрели фотоэлектрические трекеры. Они забирают от 5 до 10 процентов генерируемой энергии, но добавленная выработка с лихвой покрывает эти потери. В некоторых областях планеты этот приём позволяет увеличить объём получаемой энергии на 45%. Особенно полезны трекеры в высоких широтах, где Солнце «гуляет» по горизонту гораздо больше, чем вблизи экватора. Они значительно утяжеляют конструкцию панелей, и их установка на крышах жилищ не отличается практичностью. Однако в полевых условиях их применение более чем оправдано.
