сила солнца, ветра, воды и вулканов

следующая новость >

Альтернативная энергетика: сила солнца, ветра, воды и вулканов

Альтернативная энергетика, основанная на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), демонстрирует большие темпы роста по всей планете. За последние четыре года ее доля в мировом потреблении электричества удвоилась и составила 20%. В России лишь 1% совокупной установленной мощности всей энергосистемы приходится на долю ВИЭ. Однако, стремление занять достойное место среди развитых стран и осознание того, что наши запасы ископаемых источников энергии хоть и велики, но не безграничны, стимулировали ряд мер по развитию этого сектора генерации. Производство энергии на основе ВИЭ получило мощную государственную поддержку¹, что вызвало интерес инвесторов. Давайте подробнее рассмотрим основные секторы альтернативной энергетики.

Солнечная энергетика. По данным исследования Global Power Industry Outlook — 2017 добыча солнечной энергии на основе фотоэлементов – фотовольтаика — станет самым быстрорастущим сегментом альтернативной энергетики, ее доля в объеме глобальных инвестиций к 2020 г.

составит 37,5%. Решающий фактор для развития солнечной энергетики — количество солнечных дней в году, а не среднегодовая температура, как ошибочно полагают многие.

Получается, Россия обладает всеми необходимыми ресурсами для освоения этого сектора энергетики. По данным Института Энергетической стратегии, потенциал солнечной энергии, поступающей на территорию РФ в течение трех дней, превышает объем годового производства электроэнергии в нашей стране. Солнечные электростанции (СЭС) уже успешно функционируют в Башкортостане, Оренбургской области, на Алтае, в Хакасии и в Крыму. На данный момент в России создано 57 проектов СЭС совокупной установленной мощностью 1089 МВт, 26 из которых уже распределены между застройщиками и будут реализованы к 2022 году.

Ветровая энергетика.

Сила ветра использовалась с давних времен, и сегодня она эффективно преобразуется в электроэнергию во многих странах. В Евросоюзе совокупная установленная мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ) составляет 10% от совокупной мощности всей энергосистемы, что превышает даже долю угольной генерации. В одной только Германии ветряки производят более 20% электроэнергии, а в Дании – 42%!

Российская Федерация обладает наибольшим в мире ветроэнергетическим потенциалом. Он составляет примерно 260 ТВт⋅ч/год, что равно 30% энергии, производимой электростанциями страны. Сейчас доля ветрогенерации у нас составляет 0,01% от общей установленной мощности энергосистемы. На 70-ти процентах территории России децентрализованное энергоснабжение, но эта зона обладает богатыми ветроресурсами. Камчатка, Магаданская область, Чукотка, Сахалин, Якутия, Бурятия, Таймыр — здесь открываются большие перспективы для развития отечественной ветрогенерации. До 2022 года в России будут построены еще 43 ветроэлектростанции (ВЭС) совокупной мощностью 1651 МВт, для сравнения: на данный момент этот показатель составляет около 80 МВт.

Гидроэнергия также входит в состав возобновляемых источников энергии. Но большие ГЭС не относятся к альтернативной энергетике, так как наносят большой вред природе. Альтернативная гидроэнергетика включает малые ГЭС, приливные и волновые электростанции. Кислогубская приливная электростанция (ПЭС) была построена в 1968 году, став первой в России. Генераторы для нее были разработаны Ленинградским электромашиностроительным заводом, входящем сегодня в состав концерна «Русэлпром». На этапе строительства сейчас находятся еще 3 ПЭС.

Волновая энергетика – одно из самых молодых направлений, оно активно развивается во всем мире и имеет большие перспективы. Волновые электростанции бывают принципиально разных видов, и все они доказали свою эффективность: волновая энергетика уже составляет 1% от мировой добычи электроэнергии. Это связано с тем, что сила морской стихии имеет очень большую мощность. В этой области энергетики Россия старается не отставать от передовых технологий. В экспериментальном режиме у нас работают уже 2 волновые установки: в Приморье и в Крыму.

Геотермальная генерация. Не стоит забывать и об энергии недр земли. Источниками перегретых вод обладают множественные вулканические зоны планеты, в их числе: Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, обширные территории Кордильер и Анд. Потенциальная суммарная рабочая мощность геотермальных электростанций в мире уступает большинству станций на иных ВИЭ, и зоны их использования невелики. Однако, они составляют большую долю в энергетике таких стран, как Исландия, Филиппины, Мексика, Италия, Индонезия. А в России геотермальная энергия уже обеспечивает электричеством Камчатку на 40%, хотя ее ресурсы еще мало освоены. У нас есть и другие потенциальные регионы для развития геотермальной энергетики: Краснодарский край, Ставрополье, Карачаево-Черкессия, Дагестан.

При переходе на альтернативные источники энергии нужно учитывать особенности конкретного региона. Россия обладает большим потенциалом во всех областях альтернативной энергетики, что является преимуществом и стимулом к развитию технологий, снижению добычи природных ископаемых и вырубки леса, а также сохранению экологии.

---

Самые необычные альтернативные источники электроэнергии

С каждым годом нам нужно больше электроэнергии. Ученым приходится изобретать нетрадиционные способы ее получения — недорогие и безопасные для атмосферы. Рассказываем о необычных разработках в области электроэнергетики

Энергия из морских волн

В апреле 2021 года британская компания Mocean Energy представила Blue X — прототип установки, которая будет преобразовывать кинетическую энергию морских волн в электричество.

Установка Blue X (Фото: Mocean Energy)

Принцип работы такой: установку помещают на поверхность воды, она качается на волнах и приводит в движение шарнир посередине.

Тот в свою очередь запускает генератор, который вырабатывает электроэнергию и по кабелям перенаправляет ее на сушу.

Как это применять: по оценкам Mocean Energy, если использовать хотя бы 1% всей доступной энергии волн в мире, можно обеспечить электричеством 50 млн зданий. Для сравнения: в России насчитывается около 14 млн жилых домов.

Энергия из ДНК

Оказалось, что органические молекулы тоже преобразуют солнечную энергию в электричество. В 2021 году немецкие ученые сумели синтезировать супрамолекулярную — то есть более сложную, чем обычная молекула — систему на основе ДНК.

Структура супрамолекулы (Фото: frontiersin.

org)

Основа системы — фуллерен, «футбольный мяч» из 60 атомов углерода. К нему крепится краситель, который поглощает солнечный свет и отдает получившуюся энергию фуллерену. Но возникает проблема: если не упорядочить такие супрамолекулы, ток между ними будет протекать с трудом, а со временем и вовсе затухнет.

Ученые предложили такое решение: закрепили супрамолекулы на основе фуллеренов и красителя на спирали ДНК. Так движения электронов становятся упорядоченными, а электрический ток не затухает.

Как это применять: исследователи не обещают, что в скором времени на всех крышах появятся солнечные батареи из ДНК, но развивать это направление планируют. По их прогнозам, технология будет дешевле, прочнее и долговечнее, чем солнечные батареи на основе кремния.

Респираторы с солнечными батареями

Берлинский изобретатель Хайнц Кнупске превратил респиратор в устройство, генерирующее электроэнергию. По сути, это привычная для нас маска, на поверхности которой закреплена маленькая солнечная батарея.

Схематично респиратор с солнечной батареей выглядит так (Фото: photovoltaik.eu)

Как это применять: батарея вырабатывает энергию, которой хватает для подзарядки телефона или часов. В начале 2021 года в Китае уже наладили серийное производство «солнечных» масок и отправили первую партию в Европу.

Солнечные паруса

В 2019 году Планетарное общество развернуло парус LightSail 2 на одной из ракет от SpaceX, и он успешно прошел испытания.

LightSail 2 во время развертывания (Фото: The Planetary Society)

Солнечный парус — почти то же самое, что и обычный парус на кораблях. Только в движение его приводит не ветер, а солнечная энергия — поток заряженных частиц, которые выделяет Солнце. Если поймать этот поток энергии, можно долгое время путешествовать в космосе по заданному маршруту, а топливо для этого не понадобится.

Как это применять: используя наработки Планетарного общества, в 2021 году NASA с помощью паруса планирует долететь до Луны, а затем отправиться к околоземному астероиду 1991 VG.

«Бесконечная» энергия из воздуха

В 2020 году ученые из Массачусетского университета создали Air-gen — генератор, который создает электричество с помощью натурального белка и влаги из воздуха.

Графическое изображение пленки из белковых нанопроводов, вырабатывающих электричество с помощью влаги из атмосферы (Фото: UMass Amherst / Yao and Lovley labs)

С помощью протеобактерий Geobacter ученые выращивают белок, который может проводить ток. Из него делают пленку толщиной менее 10 микрон — в несколько раз тоньше, чем человеческий волос — и помещают между двумя электродами. Белок забирает влагу из воздуха и за счет тонких пор создает ток между электродами.

Лучшие результаты Air-gen показывает при влажности в 45%, но справляется и в засушливых регионах вроде Сахары. Генератор не зависит от погодных условий и работает даже в помещении.

Как это применять: пока мощности Air-gen хватает только для питания мелкой электроники. В скором времени ученые разработают версию для мобильных телефонов и смарт-часов, чтобы те никогда не разряжались. А если у исследователей получится совместить Air-gen с краской для стен, в домах появится бесконечный источник электроэнергии.

Электричество из дерева

Если сжать древесину, а потом вернуть в исходное состояние, она вырабатывает электрическое напряжение — правда, очень низкое. Ученые из Швейцарии провели несколько экспериментов и в 2021 году сумели превратить древесину в мини-генератор.

Исследователи изменили химический состав древесины. Они поместили ее в смесь перекиси водорода и уксусной кислоты, растворили один из компонентов древесной коры — лигнин — и оставили только целлюлозу. В результате древесина превратилась в «губку», которая после сжатия самостоятельно возвращается в исходную форму. По словам ученых, такая губка генерирует электрическое напряжение в 85 раз выше, чем обычное дерево.

Так выглядит древесина после растворения лигнина (Фото: САУ Nano / Empa)

Как это применять: пока исследователи проводят испытания получившегося материала. Они уже выяснили, что энергии 30 деревянных брусков длиной 1,5 см хватит для питания ЖК-дисплея.

Жидкое топливо из солнечной энергии

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

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

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

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

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

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

Альтернативная энергетика | Ассоциация «НП Совет рынка»

Полезные разделы

Альтернативная энергетика

Альтернативная энергетика

Альтернативная энергетика —  к  альтернативной энергетике  относятся способы генерации электроэнергии, имеющие ряд достоинств по сравнению с «традиционными», но по разным причинам не получившие достаточного распространения. Основными видами альтернативной энергетики являются:Ветроэнергетика  — использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии;Гелиоэнергетика  — получение электрической энергии из энергии солнечных лучей;Геотермальная энергетика  — использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии. По сути геотермальные станции представляют собой обычные ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара является не котёл или ядерный реактор, а подземные источники естественного тепла. Недостатком таких станций является географическая ограниченность их применения: геотермальные станции рентабельно строить только в регионах тектонической активности, т. е., там, где естественные источники тепла наиболее доступны;Водородная энергетика  — использование водорода в качестве энергетического топлива имеет большие перспективы: водород имеет очень высокий КПД сгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода абсолютно экологически чисто (продуктом сгорания в атмосфере кислорода является дистиллированная вода). Однако в полной мере удовлетворить потребности человечества водородная энергетика на данный момент не в состоянии из-за дороговизны производства чистого водорода;Альтернативные виды гидроэнергетики: приливная и волновая энергетика. В этих случаях используется естественная кинетическая энергия морских приливов и ветровых волн соответственно. 

10 альтернативных источников энергии, о которых вы ничего не знали

Для решения проблемы ограниченности ископаемых видов топлива исследователи во всем мире работают над созданием и внедрением в эксплуатацию альтернативных источников энергии. И речь идет не только о всем известных ветряках и солнечных батареях. На смену газу и нефти может прийти энергия от водорослей, вулканов и человеческих шагов. Recycle выбрал десять самых интересных и экологически чистых энерго-источников будущего.

Джоули из турникетов

Тысячи людей каждый день проходят через турникеты при входе на железнодорожные станции. Сразу в нескольких исследовательских центрах мира появилась идея использовать поток людей в качестве инновационного генератора энергии. Японская компания East Japan Railway Company решила оснастить каждый турникет на железнодорожных станциях генераторами. Установка работает на вокзале в токийском районе Сибуя: в пол под турникетами встроены пьезоэлементы, которые производят электричество от давления и вибрации, которую они получают, когда люди наступают на них.

Другая технология «энерго-турникетов» уже используется в Китае и в Нидерландах. В этих странах инженеры решили использовать не эффект нажатия на пьезоэлементы, а эффект толкания ручек турникета или дверей-турникетов. Концепция голландской компании Boon Edam предполагает замену стандартных дверец при входе в торговые центры (которые обычно работают по системе фотоэлемента и сами начинают крутиться) на двери, которые посетитель должен толкать и таким образом производить электроэнергию.

В голландском центре Natuurcafe La Port такие двери-генераторы уже появились. Каждая из них производит около 4600 киловатт-час энергии в год, что на первый взгляд может показаться незначительным, но служит неплохим примером альтернативной технологии по выработке электричества.

Водоросли отапливают дома

Водоросли стали рассматриваться в качестве альтернативного источника энергии относительно недавно, но технология, по мнению экспертов, очень перспективна. Достаточно сказать, что с 1 гектара площади водной поверхности, занятой водорослями, в год можно получать 150 тысяч кубометров биогаза. Это приблизительно равно объёму газа, который выдает небольшая скважина, и достаточно для жизнедеятельности небольшого поселка.

Зеленые водоросли просты в содержании, быстро растут и представлены множеством видов, использующих энергию солнечного света для осуществления фотосинтеза. Всю биомассу, будь то сахара или жиры, можно превратить в биотопливо, чаще всего в биоэтанол и биодизельное топливо. Водоросли — идеальное эко-топливо, потому что растут в водной среде и не требуют земельных ресурсов, обладают высокой продуктивностью и не наносят ущерба окружающей среде.

По оценкам экономистов, к 2018 году глобальный оборот от переработки биомассы морских микроводорослей может составить около 100 млрд долларов. Уже существуют реализованные проекты на «водорослевом» топливе — например, 15-квартирный дом в немецком Гамбурге. Фасады дома покрыты 129 аквариумами с водорослями, служащими единственным источником энергии для отопления и кондиционирования здания, получившего название Bio Intelligent Quotient (BIQ) House.

«Лежачие полицейские» освещают улицы

Концепцию выработки электроэнергии при помощи так называемых «лежачих полицейских» начали реализовывать сначала в Великобритании, затем в Бахрейне, а скоро технология дойдет и до России. Все началось с того, что британский изобретатель Питер Хьюс создал «Генерирующую дорожную рампу» (Electro-Kinetic Road Ramp) для автомобильных дорог. Рампа представляет собой две металлические пластины, немного поднимающиеся над дорогой. Под пластинами заложен электрический генератор, который вырабатывает ток всякий раз, когда автомобиль проезжает через рампу.  

В зависимости от веса машины рампа может вырабатывать от 5 до 50 киловатт в течение времени, пока автомобиль проезжает рампу. Такие рампы в качестве аккумуляторов способны питать электричеством светофоры и подсвечиваемые дорожные знаки. В Великобритании технология работает уже в нескольких городах. Способ начал распространяться и на другие страны — например, на маленький Бахрейн.

Самое удивительное, что нечто подобное можно будет увидеть и в России. Студент из Тюмени Альберт Бранд предложил такое же решение по уличному освещению на форуме «ВУЗПромЭкспо». По подсчетам разработчика, в день по «лежачим полицейским» в его городе проезжает от 1000 до 1500 машин. За один «наезд» автомобиля по оборудованному электрогенеретором «лежачему полицейскому» будет вырабатываться около 20 ватт электроэнергии, не наносящей вред окружающей среде.

Больше, чем просто футбол

Разработанный группой выпускников Гарварда, основателей компании Uncharted Play, мяч Soccket может за полчаса игры в футбол сгенерировать электроэнергию, которой будет достаточно, чтобы несколько часов подпитывать LED-лампу. Soccket называют экологически чистой альтернативой небезопасным источникам энергии, которые нередко используются жителями малоразвитых стран.

Принцип аккумулирования энергии мячом Soccket довольно прост: кинетическая энергия, образуемая от удара по мячу, передается крошечному механизму, похожему на маятник, который приводит в движение генератор. Генератор производит электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторе. Сохраненная энергия может быть использована для питания любого небольшого электроприбора — например, настольной лампы со светодиодом.

Выходная мощность Soccket составляет шесть ватт. Генерирующий энергию мяч уже завоевал признание мирового сообщества: получил множество наград, был высоко оценен организацией Clinton Global Initiative, а также получил хвалебные отзывы на известной конференции TED.

Скрытая энергия вулканов

Одна из главных разработок в освоении вулканической энергии принадлежит американским исследователям из компаний-инициаторов AltaRock Energy и Davenport Newberry Holdings. «Испытуемым» стал спящий вулкан в штате Орегон. Соленая вода закачивается глубоко в горные породы, температура которых благодаря распаду имеющихся в коре планеты радиоактивных элементов и самой горячей мантии Земли очень высока. При нагреве вода превращается в пар, который подается в турбину, вырабатывающую электроэнергию.

На данный момент существуют лишь две небольшие действующие электростанции подобного типа – во Франции и в Германии. Если американская технология заработает, то, по оценке Геологической службы США, геотермальная энергия потенциально способна обеспечить 50% необходимого стране электричества (сегодня ее вклад составляет лишь 0,3%).

Другой способ использования вулканов для получения энергии предложили в 2009 году исландские исследователи. Рядом с вулканическими недрами они обнаружили подземный резервуар воды с аномально высокой температурой. Супер-горячая вода находится где-то на границе между жидкостью и газом и существует только при определенных температуре и давлении.

Ученые могли генерировать нечто подобное в лаборатории, но оказалось, что такая вода встречается и в природе — в недрах земли. Считается, что из воды «критической температуры» можно извлечь в десять раз больше энергии, чем из воды, доведенной до кипения классическим образом.

Энергия из тепла человека

Принцип термоэлектрических генераторов, работающих на разнице температур, известен давно. Но лишь несколько лет назад технологии стали позволять использовать в качестве источника энергии тепло человеческого тела. Группа исследователей из Корейского ведущего научно-технического института (KAIST) разработала генератор, встроенный в гибкую стеклянную пластинку.

Такой гаджет позволит фитнес-браслетам подзаряжаться от тепла человеческой руки — например, в процессе бега, когда тело сильно нагревается и контрастирует с температурой окружающей среды. Корейский генератор размером 10 на 10 сантиметров может производить около 40 милливат энергии при температуре кожи в 31 градус Цельсия.

Похожую технологию взяла за основу молодая Энн Макосински, придумавшая фонарик, заряжающийся от разницы температур воздуха и человеческого тела. Эффект объясняется использованием четырех элементов Пельтье: их особенностью является способность вырабатывать электричество при нагреве с одной стороны и охлаждении с другой стороны.

В итоге фонарик Энн производит довольно яркий свет, но не требует батарей-акуумуляторов. Для его работы необходима лишь температурная разница всего в пять градусов между степенью нагрева ладони человека и температурой в комнате.

Шаги по «умной» тротуарной плитке

На любую точку одной из оживленных улиц приходится до 50000 шагов в день. Идея использовать пешеходный поток для полезного преобразования шагов в энергию была реализована в продукте, разработанном Лоуренсом Кемболл-Куком, директором британской Pavegen Systems Ltd. Инженер создал тротуарную плитку, генерирующую электроэнергию из кинетической энергии гуляющих пешеходов.

Устройство в инновационной плитке сделано из гибкого водонепроницаемого материала, который при нажатии прогибается примерно на пять миллиметров. Это, в свою очередь, создаёт энергию, которую механизм преобразует в электричество. Накопленные ватты либо сохраняются в литиевом полимерном аккумуляторе, либо сразу идут на освещение автобусных остановок, витрин магазинов и вывесок.

Сама плитка Pavegen считается абсолютно экологически чистой: ее корпус изготовлен из нержавеющей стали специального сорта и переработанного полимера с низким содержанием углерода. Верхняя поверхность изготовлена из использованных шин, благодаря этому плитка обладает прочностью и высокой устойчивостью к истиранию.

Во время проведения летней Олимпиады в Лондоне в 2012 году плитку установили на многих туристических улицах. За две недели удалось получить 20 миллионов джоулей энергии. Этого с избытком хватило для работы уличного освещения британской столицы.

Велосипед, заряжающий смартфоны

Чтобы подзарядить плеер, телефон или планшет, необязательно иметь под рукой розетку. Иногда достаточно лишь покрутить педали. Так, американская компания Cycle Atom выпустила в свет устройство, позволяющее заряжать внешний аккумулятор во время езды на велосипеде и впоследствии подзаряжать мобильные устройства. 

Продукт, названный Siva Cycle Atom, представляет собой легкий велосипедный генератор с литиевым аккумулятором, предназначенным для питания практически любых мобильных устройств, имеющих порт USB. Такой мини-генератор может быть установлен на большинстве обычных велосипедных рам в течение считанных минут. Сам аккумулятор легко снимается для последующей подзарядки гаджетов. Пользователь занимается спортом и крутит педали — а спустя пару часов его смартфон уже заряжен на 100 поцентов.

Компания Nokia в свою очередь тоже представила широкой публике гаджет, присоединяемый к велосипеду и позволяющий переводить кручение педалей в способ получегия экологически безопасной энергии. Комплект Nokia Bicycle Charger Kit имеет динамо-машину, небольшой электрический генератор, который использует энергию от вращения колес велосипеда и подзаряжает ей телефон через стандартный двухмиллиметровый разъем, распространенный в большинстве телефонов Nokia.

Польза от сточных вод

Любой крупный город ежедневно сбрасывает в открытые водоемы гигантское количество сточных вод, загрязняющих экосистему. Казалось бы, отравленная нечистотами вода уже никому не может пригодиться, но это не так — ученые открыли способ создавать на ее основе топливные элементы.

Одним из пионеров идеи стал профессор Университета штата Пенсильвания Брюс Логан. Общая концепция весьма сложная для понмания неспециалиста и построена на двух столпах — применении бактериальных топливных ячеек и установке так называемого обратного электродиализа. Бактерии окисляют органическое вещество в сточных водах и производят в данном процессе электроны, создавая электрический ток.

Для производства электричества может использоваться почти любой тип органического отходного материала – не только сточные воды, но и отходы животноводства, а также побочные продукты производств в виноделии, пивоварении и молочной промышленности. Что касается обратного электродиализа, то здесь работают электрогенераторы, разделенные мембранами на ячейки и извлекающие энергию из разницы в солености двух смешивающихся потоков жидкости.

«Бумажная» энергия

Японский производитель электроники Sony разработал и представил на Токийской выставке экологически чистых продуктов био-генератор, способный производить электроэнергию из мелко нарезанной бумаги. Суть процесса заключается в следующем: для выделения целлюлозы (это длинная цепь сахара глюкозы, которая находится в зеленых растениях) необходим гофрированный картон.

Цепь разрывается с помощью ферментов, а образовавшаяся от этого глюкоза подвергается обработке другой группой ферментов, с помощью которых высвобождаются ионы водорода и свободные электроны. Электроны направляются через внешнюю цепь для выработки электроэнергии. Предполагается, что подобная установка в ходе переработки одного листа бумаги размером 210 на 297 мм может выработать около 18 Вт в час (примерно столько же энергии вырабатывают 6 батареек AA).

Метод является экологически чистым: важным достоинством такой «батарейки» является отсутствие металлов и вредных химических соединений. Хотя на данный момент технология еще далека от коммерциализации: электричества вырабатывается достаточно мало – его хватает лишь на питание небольших портативных гаджетов.

Смотреть далее: 10 самых красивых ветряных электростанций мира

Альтернативные источники энергии: почему они нужны всем

МОСКВА, 19 дек — ПРАЙМ. Использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ) человечество стало раньше, чем научилось добывать уголь, нефть и газ. Однако со временем потребление энергии росло — человеку индустриального общества требовалось уже в 100 раз больше энергии, чем в первобытную эпоху. И тогда обеспечить стабильную поставку таких мощностей стало возможным благодаря сжиганию ископаемого топлива. 

Сейчас человечество снова задумалось об использовании альтернативных источников энергии, так как запасы нефти и газа исчерпаемы, а их использование наносит большой вред окружающей среде, но уже на совершенно другом уровне. Ведь перемолоть муку на ветряной мельнице или обеспечить электроэнергией целый город с помощью ветрогенераторов — задачи разного масштаба. 

К основным видам ВИЭ сегодня относят гидроэнергетику, ветроэнергетику, гелиоэнергетику. В некоторых местах можно развивать волновую и геотермальную энергетику.

САМЫЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ВИЭ

Гидроэнергетика — самый распространенный способ добычи энергии из неисчерпаемого источника, теоретический потенциал которого оценивается в 30-40 ТВт·ч в год. Для ее работы необходимо построить плотину, разместить турбины, которые будет крутить вода. Явным преимуществом является стабильность выработки энергии и возможность ее контролировать, изменяя скорость потока воды. Среди недостатков — резкое изменение уровня воды в искусственных водохранилищах, нарушение нерестового цикла рыб и снижение количества кислорода в воде, что вредит флоре и фауне водоема.

Хитрости бизнеса. Как офшоры помогают компаниям экономить на налогах

 

Еще один перспективный источник — ветроэнергетика. Для добычи энергии таким способом необходимо установить специальные турбины, которые будет вращать ветер, за счет чего будет вырабатываться электричество. Ветряные турбины легко и дешево обслуживать, они не занимают много места, вращаются на высоте от 100 м, то есть, под ними можно, например, вести сельскохозяйственную деятельность. 

Иногда ветроэлектростанции (ВЭС) строят прямо в море. Такой проект в 2017 году разработали Дания, Нидерланды и Германия. Они собираются к 2050 году соорудить в море остров площадью 6 кв. км и разместить на нем турбины. Планируется, что такая станция сможет вырабатывать до 30 ГВт·ч в год энергии, а в перспективе — до 100 ГВт·ч в год. 

Однако у этого источника дешевой и чистой энергии есть несколько существенных недостатков — нестабильность и зависимость от места размещения. Ветер дует не везде и не всегда. А в местах, где ветер дует часто и с большой силой, как правило, не располагаются населенные пункты. Это повышает расходы на строительство линий электропередач и транспортировку энергии. Поэтому ветроэнергетика хороша именно как дополнительный источник энергии.

Альтернатива ВЭС — солнечные электростанции (СЭС), которые могут работать по нескольким принципам. В одном случае с помощью сфокусированных солнечных лучей нагревают резервуар с водой (температура пара в нем может доходить до 7000С), в другом — используются фотобатареи. Второй тип гораздо проще соорудить, устанавливать фотоэлементы можно практически везде, а стоимость их продолжает снижаться с развитием технологии производства. 

Что такое валютные войны и зачем их ведут

Главными недостатками СЭС является большая зависимость от места расположения, времени суток и сезона. Например, станция не будет вырабатывать энергию ночью, значительно меньше — в зимнее время года. Полностью обеспечить себя электричеством с помощью СЭС могут даже не все африканские страны. Поэтому солнечная энергетика на данном этапе тоже может служить только в качестве вспомогательного источника. 

КАК ИСПОЛЬЗУЮТ ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

В волновой энергетике используются специальные модули, которые качаются на волнах и таким образом приводят в действие специальные поршни. Потенциал этого вида ВИЭ оценивают более чем в 2 ТВт·ч в год. Волновые электростанции защищают берега и набережные от разрушения, уменьшают воздействие на опоры и мосты. При правильной установке они не вредят окружающей среде, к тому же практически незаметны в море.

Среди недостатков — нестабильность (то есть станция вырабатывает меньше энергии во время штиля), шум, незаметность для водного транспорта, из-за чего необходимо дополнительно устанавливать сигнальные элементы. 

В некоторых местах устанавливают геотермальные станции (ГеоТЭС). Общий потенциал геотермальной энергии оценивается в 47 ТВт·ч в год, что соответствует выработке примерно 50 тысяч АЭС, но сейчас технологии позволяют получить доступ только к 2% от него — 840 ГВт·ч в год. Чтобы это сделать, роют две скважины, по одной из них подается вода, которая, нагреваясь от тепла земли, превращается в пар. Затем пар по трубе направляется в турбины. На разных этапах происходит его очистка от примесей. 

Главное преимущество геотермальной энергетики — стабильность, которую не могут обеспечить многие ВИЭ, и компактность, что удобно для районов со сложным рельефом. С другой стороны, вода, которая проходит через скважины, несет большое количество тяжелых металлов и других вредных веществ. При неправильной эксплуатации станции или при возникновении чрезвычайной ситуации, попадание в атмосферу и в почву этих веществ, может привести к экологической катастрофе локального масштаба. 

Кроме того, стоимость энергии ГеоТЭС выше, чем у ВЭС и СЭС, а мощность довольно невысокая.

Основная проблема практически всех перечисленных выше источников заключается в их нестабильности. Современные аккумуляторы не позволяют накапливать такое количество энергии, чтобы без потерь мощности использовать ее в ночное время или во время штиля. Один из вариантов — во время пиковых нагрузок поднимать воду в верхнюю часть водохранилища и потом во время затишья использовать ее для выработки энергии на ГЭС. 

Зарабатываем и делимся: популярно о дивидендах

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГИЯ В РОССИИ И В МИРЕ

На данный момент использование ВИЭ активно развивается в Европе, где страны вынуждены закупать топливо для работы традиционных электростанций. Но, по мнению некоторых экспертов, в развитии альтернативной энергетики заинтересованы и государства, чья экономика зависит от экспорта нефти и газа. Ведь если в некоторых регионах использовать ВИЭ вместо газа, это топливное сырье можно будет отправить на экспорт. 

Тем не менее, в России этот сектор энергетики развивается очень медленно. По данным аналитической компании Enerdata, в Норвегии около 97% электроэнергии добывается из альтернативных источников с учетом гидроэнергетики, около 80% — в Новой Зеландии и Бразилии. В Европе 30-40% энергии ВИЭ вырабатывается в Германии, Италии, Испании и Великобритании. В России этот показатель составляет всего 17,2%, из них доля СЭС и ВЭС — менее 1%.

Доля ВИЭ в электроэнергетике ФРГ впервые превысила 50 процентов | Экономика в Германии и мире: новости и аналитика | DW

Возобновляемая энергетика впервые произвела в Германии больше электроэнергии, чем традиционная. В 1-м квартале 2020 года возобновляемые источники энергии (ВИЭ) обеспечили свыше половины всего выработанного в стране электричества: 51,2%.  Об этом сообщило 28 мая Федеральное статистическое ведомство ФРГ (Destatis).

Оно особо подчеркнуло, что в первые три месяца этого года пандемия коронавируса еще не успела «ощутимо сказаться» на немецкой электроэнергетике, снижение общей генерации на 6,6% «находится в рамках обычных колебаний».   

Главным энергоносителем в Германии впервые стал ветер

Согласно предварительным данным, выработка электроэнергии с помощью ветра, биогаза, солнца и других ВИЭ выросла по сравнению с первым кварталом 2019 года на 14,9%, продолжая тем самым бурный рост последних лет. При этом наибольший рост показала ветряная энергетика. Всего за год она увеличила производство на 21,4%. Эксперты Destatis связывают это с тем, что первые три месяца нынешнего года в Германии было особенно много ветреных дней. Ведь установка новых ветрогенераторов в последнее время как раз застопорилась. 

В последнее время в Германии усиленно сооружали морские ветропарки

В результате ветер впервые стал основным энергоносителем в ФРГ, на него пришлось больше трети всей генерации электроэнергии: 34,9%. Доля биогаза составила 5,5%, у фотовольтаики (солнечной энергии) она выросла с 4% до 4,8%.

Одновременно произошло обвальное сокращение доли угля в немецкой электроэнергетике. Всего за год эта доля уменьшилась на треть и по итогам первого квартала составила 22,3%.

Поставки российского угля в ФРГ начали падать

Электростанции в Германии работают как на каменном, так и на буром угле. Добыча каменного угля была прекращена в ФРГ в конце 2018 года, теперь он только импортный, его главным поставщиком на немецкий рынок, причем с большим отрывом от США, Австралии и Колумбии, является Россия. На нее приходится почти половина всех поставок.

Демонстрация защитников природы против электростанции, работающей на каменном угле

Объемы импорта российского энергетического угля в Германию, особенно из Кузбасса, в последние десять лет быстро нарастали и, согласно Destatis, достигли пика в 2018 году, когда в РФ были закуплены 17,64 млн тонн. В прошлом году поставки снизились до 15,8 млн тонн, в 1-м квартале нынешнего составили 3,68 млн тонн.

Быстрое снижение роли угольных электростанций в немецкой электроэнергетике делает дальнейшее сокращение закупок российского каменного угля весьма вероятным. Одновременно оно ведет к снижению спроса и на немецкий бурый уголь, так что окончательный отказ Германии от использования в электроэнергетике угля как самого неэкологичного энергоносителя может произойти и раньше 2038 года.

Скромная доля газовых электростанций, роль АЭС падает 

Доля природного газа в немецкой электроэнергетике осталась в 1-м квартале 2020 года примерно на уровне первых трех месяцев прошлого года и составила 12,7%. Таким образом, «голубое топливо», главным поставщиком которого в Германию также является Россия, всего лишь сохраняет, но не увеличивает свою относительно скромную долю в производстве электричества. 

Трубоукладчик «Академик Черский» должен достроить газопровод «Северный поток-2»

Так что газ идет на немецком рынке главным образом на отопление и лишь небольшая его часть потребляется химической промышленностью в качестве сырья, тогда как на его использовании в качестве газомоторного топлива в ФРГ фактически поставлен крест. Из этого следует, что спрос на газ решающим образом зависит от погодных условий. Вот почему нынешняя теплая зима в Германии и других странах ЕС весьма способствовала значительному падению потребления и цен на продукцию «Газпрома».

Доля атомной энергии в немецкой электроэнергетике сократилась в 1-м квартале 2020 года на 16,9% и составляет теперь 11,6%. Так что предстоящий окончательный отказ Германии от ядерной энергии, предполагающий отключение последних немецких АЭС к концу 2022 года, не угрожает стабильности энергоснабжения в стране.

Особенно если ВИЭ и дальше будут высокими темпами наращивать свою долю в немецкой электроэнергетике. Необычайно солнечные и частично весьма ветреные апрель и май в Германии делают такой сценарий весьма реалистичным. По меньшей мере во 2-м квартале. 

Смотрите также:

• Защита климата в Германии: программа правительства до 2030 года

  Закрытие угольных электростанций

  Правительство ФРГ решило к 2038 году прекратить использование в электроэнергетике угля — самого вредного для климата ископаемого энергоносителя. Уже в 2022 году общая мощность угольных электростанций сократится на четверть. Ускоренными темпами будут закрывать те, что работают на импортном каменном угле. За свертывание добычи бурого угля ряд регионов Германии получит многомиллиардные компенсации.

• Защита климата в Германии: программа правительства до 2030 года

  Развитие возобновляемой энергетики

  К 2030 году 65% потребляемой в Германии электроэнергии должны производиться из возобновляемый источников (ВИЭ), прежде всего — с помощью ветра и солнца. На момент принятия программы в сентябре 2019 года этот показатель составлял около 43%. Среди мер стимулирования развития ВИЭ — повышение материальной заинтересованности местных органов власти в установке на своей территории ветрогенераторов.

• Защита климата в Германии: программа правительства до 2030 года

  Введение сертификатов на выбросы CO2

  Тот, кто выбрасывает в атмосферу значительные объемы парниковых газов, должен за это платить. Таков смысл системы CO2-сертификатов, введенной в Европейском Союзе еще в 2005 году для промышленных предприятий. В Германии с 2021 года приобретать подобные сертификаты обязаны будут также компании, продающие потребителям различные виды топлива. В результате оно должно подорожать.

• Защита климата в Германии: программа правительства до 2030 года

  Повышение цен на топливо

  Цена CO2-сертификатов, согласно правительственной программе, будет в 2021-25 годах планомерно расти. Это должно привести к постепенному удорожанию, в частности, бензина и дизельного топлива на заправочных станциях. Цель правительственной программы — подтолкнуть автомобилистов к более экономному расходованию нефтепродуктов и, в конечном счете, к переходу на экологичные виды транспорта.

• Защита климата в Германии: программа правительства до 2030 года

  Стимулирование электромобильности

  Правительство ФРГ расширило и продлило до 2025 года программу стимулирования покупки полностью электрических автомобилей и заряжаемых от розетки плагин-гибридов. Так, скидка на электромобили по цене до 40 тысяч евро увеличена с 4 до 6 тысяч евро, для более дорогих моделей она составляет 5 тысяч евро. Одновременно решено в 2020-21 годах установить 50 тысяч новых общедоступных станций зарядки.

• Защита климата в Германии: программа правительства до 2030 года

  Увеличение налога на авиабилеты

  Выбросы от работы авиадвигателей весьма способствуют парниковому эффекту, поэтому правительство ФРГ стремится сократить число авиаперелетов, особенно внутри Германии и Европы. Один из пунктов программы защиты климата — повышение с 1 апреля 2020 года налога на авиабилеты. В частности, на 5,65 евро до 13,03 евро при вылете из аэропортов на территории Германии по внутриевропейским маршрутам.

• Защита климата в Германии: программа правительства до 2030 года

  Налоговые льготы железной дороге

  Чем больше пассажиров предпочтут автомобилям, междугородним автобусам и самолетам электропоезда, тем лучше для климата, считает правительство ФРГ. Один из пунктов его программы — снижение НДС на железнодорожные билеты с 19% до льготных 7% с 1 января 2020 года и, в результате, их удешевление в поездах дальнего следования на 10%. Недополученные налоги казне компенсирует сбор с авиапассажиров.

• Защита климата в Германии: программа правительства до 2030 года

  Запрет дизельного отопления домов

  Значительные выбросы CO2 возникают при обогреве зданий. Во многих немецких домах, прежде всего — индивидуальных, все еще действуют отопительные системы на мазуте или солярке, зачастую очень старые и малоэффективные. Государство готово взять на себя 40% расходов на их замену современными экологичными технологиями. А с 2026 года установка дизельных котлов будет вообще запрещена.

• Защита климата в Германии: программа правительства до 2030 года

  Поддержка энергосберегающего жилья

  Чем больше в здании применяется энергосберегающих технологий, тем меньше энергии требуется для его отопления. Поэтому с 2020 года правительство Германии в рамках программы защиты климата будет предоставлять налоговые льготы всем домовладельцам за установку в окнах энергосберегающих стеклопакетов и за теплоизоляцию стен и крыши.

  Автор: Андрей Гурков

 

электричество из снега и водорослей… почему бы нет?

---

Альтернативная энергетика — сегодня это сверхпопулярное направление научных поисков. Конечно, солнечными, ветряными электростанциями и тем более традиционными ГЭС уже никого не удивишь. Сейчас на арену выходят более оригинальные варианты получения энергии: термальные источники, волны морей, океанов и даже «охота» на молнии. А еще развиваются такие направления, как криогенная, космическая и гравитационная энергетика.

Недавно в копилку подобных идей добавилось и электричество из снега. Ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали новое устройство, которое может производить электричество из снега. Изобретение получило название «снежно-трибоэлектрический наногенератор» или просто Snow TENG и пользоваться им может каждый желающий. Прибор работает за счет появления электрических зарядов в материале из-за трения, т. е. использует статическое электричество. Разработчики заявляют, что изобретение можно интегрировать в солнечные панели, чтобы они могли продолжить вырабатывать электроэнергию даже при покрытии снегом. Плюсом является и то, что Snow TENG можно распечатать на 3D принтере. Среднегодовое количество снега по всему миру составляет примерно треть массы Земли. За 12 месяцев на поверхность планеты выпадает около 46 миллионов квадратных километров кристаллов льда! А значит, это огромное количество энергии, которое можно использовать, не нанося совершенно никакого вреда окружающей среде.

Что только не служит источником энергии. Несколько лет тому назад в немецком Гамбурге соорудили дом, полностью отапливаемый водорослями. 129 аквариумов с растениями закреплены на внешних лесах постройки и способны поворачиваться вслед за солнцем. Таким образом, водоросли под воздействием света выделяют тепло. Если «фасад-биореактор» генерирует слишком много тепла (в жаркую солнечную погоду), энергия сохраняется про запас в специальном буфере. Когда количество водорослей в резервуаре достигает предела, избытки отправляются для переработки в биотопливо и обеспечивают запас на весь зимний период.

Как вы думаете можно ли не тратить энергию во время игры в футбол, а наоборот вырабатывать её? Разработчики мяча Soccket отвечают на этот вопрос утвердительно. Технологичный мяч снабжен устройством, способным перерабатывать кинетическую энергию от ударов в электричество. Всего за 15 минут игры батарея, встроенная в игровой снаряд, полностью заряжается. Этой мощности может хватить, чтобы зарядить мобильный телефон или лампу. Мяч оборудован специальным разъёмом для передачи электроэнергии на другой источник.

Идея использовать пешеходный поток для полезного преобразования шагов в энергию была реализована в продукте, разработанном Лоуренсом Кемболл-Куком. Инженер создал тротуарную плитку, генерирующую электроэнергию из кинетической энергии гуляющих пешеходов. Устройство в инновационной плитке сделано из гибкого водонепроницаемого материала, который при нажатии прогибается примерно на 5 миллиметров. Это, в свою очередь, создаёт энергию, которую механизм преобразует в электричество. Так, во время проведения летней Олимпиады в Лондоне в 2012 году плитку установили на многих туристических улицах. За две недели удалось получить 20 миллионов джоулей энергии. Этого с избытком хватило для работы уличного освещения британской столицы.

А еще в качестве альтернативных источников энергии научились использовать скрытую энергию вулканов, сточные воды, «бумажную» энергетику и даже энергию из тепла человеческого тела.

О новых технологиях в этой области науки вы можете найти много интересной и полезной информации в журналах из богатейших фондов зала патентно-технической литературы областной библиотеки им. А. К. Югова.

Ждём вас в Юговке!

Список рекомендуемой литературы:

Бурдина, Э. Альтернативная энергетика: электричество из снега / Э. Бурдина. — Текст : непосредственный // Наука и техника. — 2019. — № 9. — С. 15-17 : ил.

Бутузов, В. А. Российская солнечная электроэнергетика / В. А. Бутузов. — Текст : непосредственный // Энергия: экономика, техника, экология. — 2020. — № 6. — С. 46-63 : рис. ; : табл.

Кириллов, В. Растения на службе энергетиков / В. Кириллов. — Текст : непосредственный // Энергия: экономика, техника, экология. — 2014. — № 2. — С. 76-80. —

Магаршак, Ю. Б. Глюконика — энергетика будущего / Ю. Б. Магаршак. — Текст : непосредственный // Энергия: экономика, техника, экология. — 2017. — № 9. — С. 62-66 : рис.

Соболев, И. А. Космическая энергетика ищет место под солнцем / И. А. Соболев. — Текст : непосредственный // Энергия: экономика, техника, экология. — 2020. — № 7. — С. 20-25.

Ульянов, Н. Накопи и сохрани: развитие новых технологий, позволяющих накапливать и сохранять электроэнергию позволит занять значительную долю на рынке альтернативной энергетики. / Н. Ульянов. — Текст : непосредственный // Эксперт. — 2017. — № 41. — С. 44-51.

Фридрих, Б. «Дровяная энергетика»: производство пеллет в России / Б. Фридрих. — Текст : непосредственный // Энергия: экономика, техника, экология. — 2017. — № 2. — С. 59-61.

---

23 ноября 2020

11 Альтернативные источники энергии (с примерами)

Потенциальные проблемы, связанные с использованием ископаемого топлива, особенно с точки зрения изменения климата, были рассмотрены раньше, чем вы думаете. Шведский ученый Сванте Аррениус еще в 1896 году первым заявил, что использование ископаемого топлива может способствовать глобальному потеплению. . Сегодня наблюдается общий сдвиг в сторону экологической осведомленности, и источники нашей энергии становятся предметом более пристального изучения.

Это привело к увеличению количества альтернативных источников энергии. Хотя жизнеспособность каждого из них можно оспорить, все они вносят положительный вклад по сравнению с ископаемым топливом.

Меньшие выбросы, более низкие цены на топливо и уменьшение загрязнения — все это преимущества, которые часто может обеспечить использование альтернативных видов топлива.

Здесь мы исследуем одиннадцать наиболее известных альтернативных источников топлива и смотрим на преимущества, которые они предлагают, и потенциал для увеличения потребления в ближайшие годы.

Вот несколько примеров альтернативных источников энергии и их значение.

1. Водородный газ

В отличие от других форм природного газа, водород является полностью экологически чистым топливом. После производства водородные газовые ячейки при использовании выделяют только водяной пар и теплый воздух.

Основная проблема, связанная с этой формой альтернативной энергии, заключается в том, что она в основном происходит за счет использования природного газа и ископаемого топлива. Таким образом, можно утверждать, что выбросы, создаваемые для его извлечения, противодействуют выгодам от его использования.

Процесс электролиза, который необходим для расщепления воды на водород и кислород, делает эту проблему менее важной. Однако электролиз по-прежнему уступает ранее упомянутым методам получения водорода, хотя исследования продолжают делать его более эффективным и рентабельным.

2. Приливная энергия

Хотя приливная энергия использует силу воды для выработки энергии, как и в случае с гидроэлектрическими методами, ее применение во многих случаях имеет больше общего с ветряными турбинами.

Хотя это довольно новая технология, ее потенциал огромен. Согласно отчету, подготовленному в Соединенном Королевстве, приливная энергия может удовлетворить до 20% текущих потребностей Великобритании в электроэнергии.

Наиболее распространенной формой генерации приливной энергии является использование генераторов приливных потоков. Они используют кинетическую энергию океана для питания турбин, не производя отходов ископаемого топлива и не будучи столь же восприимчивыми к элементам, как другие формы альтернативной энергии.

3.Энергия биомассы

Энергия биомассы бывает разных форм. Сжигание древесины использовалось в течение тысяч лет для создания тепла, но в результате недавних достижений также были обнаружены отходы, например, на свалках, и спиртосодержащие продукты, используемые для аналогичных целей.

При сжигании дров выделяемое тепло может быть эквивалентно теплу в системе центрального отопления. Кроме того, связанные с этим затраты, как правило, ниже, а количество углерода, выделяемого этим видом топлива, оказывается ниже количества, выделяемого ископаемым топливом.

Однако есть ряд проблем, которые необходимо учитывать при использовании этих систем, особенно если они установлены дома. Важным фактором может быть техническое обслуживание, к тому же вам может потребоваться разрешение местных властей на его установку.

4. Энергия ветра

Этот вид производства энергии становится все более популярным в последние годы. Он предлагает те же преимущества, что и многие другие альтернативные источники топлива, поскольку в нем используется возобновляемый источник и не образуются отходы.

Текущие ветроэнергетические установки приводят в действие примерно двадцать миллионов домов в Соединенных Штатах в год, и это число растет. В большинстве штатов страны в настоящее время в той или иной форме созданы ветроэнергетические установки, и инвестиции в эту технологию продолжают расти.

К сожалению, эта форма производства энергии также сопряжена с проблемами. Ветровые турбины ограничивают обзор и могут быть опасны для некоторых видов диких животных.

5. Геотермальная энергия

По сути, геотермальная энергия — это извлечение энергии из земли вокруг нас. Он становится все более популярным, и в 2015 году в этом секторе в целом наблюдался пятипроцентный рост.

В настоящее время по оценке Всемирного банка, около сорока стран могли бы удовлетворить большую часть своих потребностей в электроэнергии с помощью геотермальной энергии.

Этот источник энергии обладает огромным потенциалом, но мало что делает, чтобы разрушить землю. Однако высокие первоначальные затраты на создание геотермальных электростанций привели к более медленному внедрению, чем можно было ожидать от столь многообещающего источника топлива.

6. Природный газ

Источники природного газа использовались в течение нескольких десятилетий, но благодаря развитию технологий сжатия он становится более жизнеспособным альтернативным источником энергии. В частности, он используется в автомобилях для снижения выбросов углерода.

Спрос на этот источник энергии растет. В 2016 году 48 нижних штатов США достигли рекордных уровней спроса и потребления.

Несмотря на это, с природным газом все же есть проблемы. Потенциал загрязнения выше, чем при использовании других альтернативных источников топлива, и природный газ по-прежнему выделяет парниковые газы, даже если их количество меньше, чем при использовании ископаемого топлива.

7. Биотопливо

В отличие от источников энергии из биомассы, в биотопливе для производства энергии используются животные и растения. По сути, это топливо, которое можно получить из какого-либо органического вещества.

Их можно возобновлять в тех случаях, когда используются растения, так как их можно выращивать ежегодно.Однако им действительно требуется специальное оборудование для добычи, которое может способствовать увеличению выбросов, даже если биотопливо этого не делает.

Биотопливо находит все большее распространение, особенно в США. На их долю приходилось примерно семь процентов потребления топлива на транспорте по состоянию на 2012 год.

8. Волновая энергия

Вода снова доказывает, что вносит ценный вклад в альтернативные источники топлива с волновыми преобразователями энергии. Они имеют преимущество перед источниками энергии приливов, поскольку их можно размещать в океане в различных ситуациях и местах.

Как и в случае с приливной энергией, преимущества заключаются в отсутствии отходов. Кроме того, он более надежен, чем многие другие виды альтернативной энергии, и при правильном использовании имеет огромный потенциал.

Опять же, стоимость таких систем является основным фактором, способствующим замедлению их внедрения. У нас также пока недостаточно данных, чтобы выяснить, как преобразователи волновой энергии влияют на природные экосистемы.

9. Гидроэнергетика

Гидроэлектрические методы фактически являются одними из самых первых способов получения энергии, хотя их использование начало сокращаться с ростом использования ископаемых видов топлива.Несмотря на это, они по-прежнему составляют примерно семь процентов энергии, производимой в Соединенных Штатах.

Гидроэнергетика имеет ряд преимуществ. Это не только чистый источник энергии, что означает, что он не создает загрязнения и множества проблем, которые из-за него возникают, но и является возобновляемым источником энергии.

Еще лучше, он также предлагает ряд вторичных преимуществ, которые не сразу очевидны. Плотины, используемые для производства гидроэлектроэнергии, также способствуют борьбе с наводнениями и ирригационным технологиям.

10. Ядерная энергия

Атомная энергия — одна из самых распространенных форм альтернативной энергии. Это создает ряд прямых преимуществ с точки зрения выбросов и эффективности, а также способствует росту экономики за счет создания рабочих мест при создании и эксплуатации заводов.

Тринадцать стран полагались на ядерную энергию для производства не менее четверти своей электроэнергии по состоянию на 2015 год, и в настоящее время в мире насчитывается 450 действующих станций.

Недостаток в том, что когда что-то идет не так с атомной электростанцией, существует вероятность катастрофы.Ситуации в Чернобыле и Фукусиме — тому примеры.

11. Солнечная энергия

Когда большинство людей думают об альтернативных источниках энергии, они обычно используют солнечную энергию в качестве примера. С годами эта технология претерпела огромные изменения и теперь используется для крупномасштабного производства энергии и выработки электроэнергии для отдельных домов.

Ряд стран выступили с инициативами по развитию солнечной энергетики. Льготный тариф Соединенного Королевства является одним из примеров, как и налоговый кредит Соединенных Штатов на инвестиции в солнечную энергию.

Этот источник энергии является полностью возобновляемым, и затраты на установку перевешиваются деньгами, сэкономленными на счетах за электроэнергию от традиционных поставщиков. Тем не менее солнечные элементы склонны к износу в течение длительного периода времени и не так эффективны в неидеальных погодных условиях.

Заключение

По мере того, как проблемы, возникающие в результате использования традиционных ископаемых видов топлива, становятся все более заметными, альтернативные источники топлива, подобные упомянутым здесь, вероятно, будут приобретать еще большее значение.

Их преимущества устраняют многие проблемы, вызванные использованием ископаемого топлива, особенно когда речь идет о выбросах. Однако развитие некоторых из этих технологий замедлилось из-за количества инвестиций, необходимых для их жизнеспособности.

Объединив их все, мы сможем положительно повлиять на такие проблемы, как изменение климата, загрязнение и многие другие.

Пожалуйста, внесите свой вклад в обсуждение ниже и поделитесь с нами своими мыслями об альтернативных источниках энергии в разделе комментариев или поделившись этой статьей в социальных сетях.

Ресурсы

Электроэнергетика будущего: пять менее известных альтернативных источников энергии | Энергия выбора

Солнце и ветер — два важных и хорошо известных источника возобновляемой энергии. Но список перспективных и широко используемых альтернативных источников энергии постоянно растет. Прокрутите, чтобы увидеть, как растет число вариантов экологически чистой энергии, которые могут обеспечить нашу жизнь.

Сила океана

Ритмичные и мощные движения океанского течения и волн могут приводить в движение электрические генераторы, чтобы производить постоянный поток и огромное количество энергии, которая затем передавалась на сушу по кабелям. Они представляют соблазнительное обещание чистой энергии.

Но разработка оборудования, которое будет эффективно улавливать эту механическую энергию и выдерживать коррозию соленой воды и других природных элементов в океане, оказалась чрезвычайно сложной задачей. В стране нет коммерческих электростанций, использующих энергию океана, хотя ряд исследовательских и пилотных проектов был осуществлен в Калифорнии, Орегоне, Гавайях и Нью-Джерси. Эти проекты тестируют конструкции оборудования, которое напоминает все, от гигантских медуз до змеи, чтобы увидеть, насколько хорошо они работают в суровых условиях и могут ли они эффективно производить достаточно энергии, чтобы оправдать огромные затраты на их установку и эксплуатацию.

Биомасса Электроэнергия, производимая растениями или побочными продуктами животного происхождения, называется энергией биомассы. Фотография: Монти Ракузен / Getty Images

Электроэнергия, производимая растениями или побочными продуктами животного происхождения, называется энергией биомассы. Электростанции, работающие на биомассе, обычно напрямую сжигают сырье, такое как древесная щепа, сельскохозяйственные отходы, некоторые виды мусора или навоз, для производства электроэнергии. Или они могут преобразовать материалы в горючие газы, а затем сжечь их для выработки энергии. На энергию биомассы приходится 12% производства возобновляемой энергии в стране.Биомасса используется во всем мире для производства электроэнергии. Швеция, например, использует биомассу для производства 30% энергии, большая часть которой идет на отопление домов и предприятий, а также на работу заводов.

Топливные элементы Когда топливо, богатое водородом, такое как природный газ или биогаз, проходит через топливный элемент и вступает в реакцию с кислородом, оно производит электричество. Фотография: Памела Мур / Getty Images

Топливные элементы вырабатывают энергию в результате химических реакций, в которых водород соединяется с кислородом.Когда топливо, богатое водородом, такое как природный газ или биогаз, проходит через топливный элемент и вступает в реакцию с кислородом, он производит электричество, тепло и воду. Топливные элементы, которые выбрасывают около половины выбросов электростанции, работающей на ископаемом топливе, не достаточно дешевы, чтобы стать основным источником энергии, но они используются все большим числом компаний для обеспечения резервного питания, а также для снижения выбросов углерода. следы. Топливные элементы также проникают в автомобильный мир для создания автомобилей с нулевым уровнем выбросов.

Геотермальная энергия Люди использовали силу перегретого пара под поверхностью Земли более 10 000 лет, но первый геотермальный генератор энергии не был построен до 1904 года в Италии.Фотография: Peerakit JIrachetthakun / Getty Images

Люди использовали силу сверхгорячих паров под поверхностью Земли более 10 000 лет, но первый геотермальный генератор энергии был построен только в 1904 году в Италии. Первая геотермальная электростанция в Соединенных Штатах была запущена в 1921 году для работы на курорте с горячими источниками в Гейзерах в северной Калифорнии. Гейзеры, занимающие 7 769 гектаров [19 197 акров], являются крупнейшим геотермальным полем в мире и домом для почти десятка электростанций.Геотермальная энергия составляет 3% от производства возобновляемой энергии в стране.

Гидроэнергетика Гидроэнергетика является одним из старейших источников электроэнергии в истории человечества и используется каждым штатом страны. Фотография: Крейг Козарт / Getty Images

Гидроэнергетика — один из старейших источников электроэнергии в истории человечества, который используется каждым штатом страны. Первая в мире коммерческая гидроэлектростанция была введена в эксплуатацию на реке Фокс в Аплтоне, штат Висконсин, в 1882 году.Гидроэнергетика также является крупнейшим источником возобновляемой энергии, на которую в 2014 году приходилось чуть более 6% производства электроэнергии в США и 92% производства возобновляемой энергии. В штате Вашингтон, в частности, более 70% электроэнергии используется в штате Вашингтон.

Контент на этой странице предоставлен вам компанией NRG Energy.

14 альтернативных источников энергии, которые могут иметь значение

Растут альтернативные источники энергии

В энергетическом секторе ископаемых источников топлива были основным источником энергии из-за их относительно низкой цены.Тем не менее, наша потребность в энергии , согласно прогнозам, вырастет на в будущем, и мы больше не можем полагаться на конечных и , загрязняющих источников энергии. За последнее десятилетие мы увидели положительных сдвигов на в сторону расширения наших мощностей по возобновляемым источникам энергии как на местном, так и на глобальном уровне.

Панели солнечных батарей, ветряных турбин, установленных на суше и на море, и гидроэлектростанций — вот некоторые из альтернативных энергетических технологий , которые будут удовлетворять наши будущие потребности в энергии . Наша зависимость от природного газа и нефти является самой большой причиной экологического ущерба, и только в энергетическом секторе ответственен за 1,7% увеличение углекислого газа в нашей атмосфере. Таким образом, альтернативные источники энергии будут в центре внимания для предотвращения дальнейшего воздействия изменения климата на нашу планету.

Согласно ежегодной статистике IRENA по возобновляемым мощностям за 2019 год, глобальные возобновляемых генерирующих мощностей достигли 2351 ГВт . три альтернативных источников энергии с наибольшим процентом:

1. Гидроэнергетика составляет 1,172 ГВт , что составляет примерно половину от общей суммы.
2. Береговая и морская энергия Ветровая энергия занимает второе место с мощностью 564 ГВт.
3. Мощность солнечной энергии немного меньше — 480 ГВт, разделенных на солнечную фотоэлектрическую и солнечную тепловую энергию.

Альтернативная энергия источников прогнозируется до расширение в каждом секторе к 2023 .Электроэнергетический сектор имеет самую большую долю 30% , и на пути декарбонизации электрификация станет основным энергоносителем , большая часть которого будет генерироваться за счет возобновляемых источников энергии.

Отопление занимает второе место с 12%, а сектор транспорта занимает последнее место с лишь 3,8% альтернативных источников энергии, требующих улучшения.

В инфографике ниже GreenMatch освещает текущий и будущий объем альтернативных источников энергии, а также дает обзор инвестиций и будущих прогнозов на нашем пути к устойчивому будущему.

Если вы хотите использовать эту инфографику на своем веб-сайте, используйте код для встраивания ниже:

Получить код для встраивания

Инвестиции в 2019 году замедляются?

В соответствии с планом реализации, установленным Парижским соглашением , совокупные инвестиции в зеленую энергию должны составить долларов США, 110 трлн евро, или около 2% (среднего) годового валового внутреннего продукта в течение этого периода.

Тяга к альтернативным источникам энергии снизила затраты, особенно на солнечную энергию.Согласно отчету REN21 о статусе возобновляемых источников энергии за 2019 год, глобальные инвестиции в новые мощности достигли 288,9 млрд долларов США. , без учета гидроэнергетики свыше 50 МВт.

Китайское правительство прекратило свои схемы субсидирования , потому что солнечная энергия теперь считается доступной по цене и ведет к отсутствию развертывания солнечной энергии в Китае. В результате цифры показывают на 11% меньше инвестиций по сравнению с 2017 годом.

Аналогичным образом, в апреле 2019 года схема льготных тарифов в Великобритании завершила действие для новых заявителей, желающих использовать альтернативную энергию.

Инвестиции Прогноз предусматривает стабилизацию и рост инвестиций для следующего обзора. До сих пор Китай является крупнейшим инвестором по странам. Их сокращение расходов на солнечную энергию из-за субсидий существенно повлияло на общее количество, демонстрируя явное доминирование на рынке возобновляемых источников энергии.

Объем будущих альтернативных источников энергии

Более широкое внедрение альтернативных источников энергии зависит еще больше от эффективных возобновляемых технологий и реструктуризации электроэнергетической отрасли.С использованием возобновляемых источников энергии, производство чистой энергии возможно на бытовом уровне с такими технологиями, как солнечные панели , тепловые насосы и котлы, работающие на биомассе.

Чтобы в полной мере использовать энергию, которая в основном является погодой или зависящей от времени , нам еще предстоит придумать лучшие решения для хранения энергии .

Землепользование и рост населения

При росте населения заявлено 9,7 млрд.к 2050 году , более широкое использование крупных солнечных ферм может быть не идеальным решением, поскольку они занимают много земли. Минимизация площади, занимаемой землей, имеет решающее значение, или проектирует более эффективных технологий, таких как преобразователей энергии ветра .

Ветровая энергия в настоящее время является одним из наиболее важных альтернативных источников энергии в Великобритании и обеспечивает примерно 4 млн. дома. Морской ветер все еще недостаточно развит из-за дорогостоящего обслуживания и расположения в глубоких водах, но в будущем мы сможем более эффективно вырабатывать энергию из океанов и глубинных вод .

Недостатки в конструкции существующих ветряных турбин ограничивают потенциал использования энергии ветра, неспособного преодолевать ветры на больших высотах. Будущая воздушная технология может стать лидером с гораздо более многообещающим радиусом действия от до 500 м , где ветры сильнее .

Один из наиболее дорогостоящих проектов на ранней стадии включает в себя получение солнечной энергии из помещения . Прототип состоит из оптических отражателей, фотоэлементов, преобразующих солнечный свет в энергию, и схемы, преобразующей электричество в радиочастоты.Затем интегрированная антенна будет передавать энергию обратно на Землю.

В будущем этот инновационный альтернативный источник энергии сможет удовлетворить потребности в энергии нашего растущего населения без ограничений, используя постоянный солнечный свет из космоса.

Хранение зеленой энергии

Эффективный аккумулятор жизненно важен для более широкого внедрения альтернативных источников энергии. Солнечная фотоэлектрическая энергия зависит от прямого солнечного воздействия, а это означает, что значительного количества энергии идет неиспользованным или тратится впустую из-за отсутствия встроенных солнечных аккумуляторных батарей.

В будущем водород будет движущим источником энергии. В настоящее время большая часть производится из ископаемого топлива. Однако излишков альтернативной энергии также используется для производства газообразного водорода. Применения универсальны — газообразный водород можно подавать в сеть природного газа или с помощью топливных элементов для обратного преобразования в электричество. Водород можно было бы широко использовать в транспортном секторе, когда мы сможем предложить менее дорогостоящих решений для более широкого внедрения таких альтернативных источников энергии.

Водород имеет наивысшую плотность из всех видов топлива, что делает его более удобным для распределения и хранения. Его стабильный химический состав также означает, что он может удерживать энергию лучше, чем любая другая среда.

В будущем создание инфраструктуры снабжения и хранения позволит более эффективно использовать водорода. В планы на будущее для водорода входит строительство подземной системы хранения , где излишки энергии ветра, например, могут быть преобразованы в водород посредством электролиза .

Альтернативная энергетика и инфраструктура

Наша текущая глобальная инфраструктура адаптирована только для ископаемого топлива. Строительство нового займет годы и огромных ресурсов. В последние годы внесетевых технологий , основанных на альтернативных источниках энергии, смогли обеспечить электроснабжение удаленных населенных пунктов в виде мини- или локальных сетей.

Полная децентрализация сети предоставит клиентам возможность продавать электроэнергию обратно в сеть, а получит контроль над необходимой и потребляемой энергией .Однако Великобритания далека от полной децентрализации из-за масштабов необходимых преобразований.

Ряд из предприятий , однако, можно считать пионерами в реструктуризации вне сети в Великобритании, например, UPS и некоторые из гигантов розничной торговли и супермаркетов .

Расширение масштабов альтернативной энергетики откроет на новых рабочих мест в секторе устойчивой энергетики. Рост и внедрение во всех секторах потребуют лет планирования и значительных инвестиций .

Чтобы гарантировать будущее без дальнейших выбросов парниковых газов, мы можем начать с введения более запретов на будущие проекты по ископаемому топливу и более строгих целей по выбросам .

Центр обработки данных по альтернативным видам топлива: основы электроэнергетики

Электроэнергия считается альтернативным топливом в соответствии с Законом об энергетической политике 1992 года. Электроэнергия может производиться из различных источников энергии, включая природный газ, уголь, ядерную энергию, энергию ветра, гидроэнергетику, а также солнечную энергию и храниться в виде водорода или в батареях.Электромобили с подзарядкой от электросети (PEV) — собирательный термин для подключаемых к сети гибридных электромобилей (PHEV) и полностью электрических транспортных средств (EV) — могут потреблять электроэнергию из внешних источников электроэнергии (обычно из электросети) и хранение энергии в батареях. Хотя электромобили на топливных элементах еще не широко доступны, они вырабатывают электроэнергию из водорода, находящегося на борту транспортного средства.

Электроэнергия для транспортных средств

В PEV бортовые аккумуляторные батареи накапливают энергию для питания одного или нескольких электродвигателей.Эти батареи заряжаются с помощью электричества из сети и энергии, возвращаемой во время торможения, известного как рекуперативное торможение. Транспортные средства, работающие только на электроэнергии, не производят выбросов из выхлопной трубы, но есть выбросы, связанные с производством электроэнергии.

Электропитание PEV в настоящее время экономически выгодно по сравнению с использованием бензина, но PEV обычно обходятся дороже. Однако первоначальные затраты на транспортное средство могут быть компенсированы за счет экономии затрат на электроэнергию, федерального налогового кредита и государственных льгот.Электроэнергия для зарядки транспортных средств особенно рентабельна, если водители могут воспользоваться льготными тарифами для населения и другими льготами, предлагаемыми многими коммунальными предприятиями. Стоимость электроэнергии может варьироваться в зависимости от региона, типа генерации, времени использования и точки доступа. Узнайте о факторах, влияющих на цены на электроэнергию, в Управлении энергетической информации США.

Электрические зарядные станции

Многие владельцы PEV предпочитают выполнять большую часть зарядки дома (или на объектах автопарка, в случае коммерческих автопарков).Некоторые работодатели предлагают возможность взимания платы на рабочем месте. Во многих городах водители PEV также имеют доступ к общественным зарядным станциям в различных местах, таких как торговые центры, общественные гаражи и стоянки, отели и предприятия. Инфраструктура зарядки быстро расширяется, обеспечивая водителям удобство, дальность действия и уверенность в своих транспортных потребностях.

Объяснение возобновляемой энергии — Управление энергетической информации США (EIA)

Что такое возобновляемая энергия?

Возобновляемая энергия — это энергия из источников, которые восполняются естественным образом, но с ограниченным потоком; возобновляемые ресурсы практически неисчерпаемы по продолжительности, но ограничены по количеству энергии, доступной в единицу времени.

Скачать изображение Потребление первичной энергии в США по источникам энергии, 2020 всего = 92,94 квадриллиона Британские тепловые единицы (БТЕ) ​​всего = 11,59 квадриллион БТЕ 2% — геотермальные 11% — солнечные26% — ветровые 4% — отходы биомассы 17% — биотопливо 18% — древесина22% — гидроэлектрическая биомасса 39% возобновляемые источники энергии 12% природный газ 34% нефть35% ядроэлектроэнергия9% уголь10% Источник: Управление энергетической информации США, Ежемесячный обзор энергетики, таблицы 1. 3 и 10.1, апрель 2021 г., предварительные данные Примечание: сумма компонентов может не равняться 100% из-за независимого округления.

Какую роль играют возобновляемые источники энергии в Соединенных Штатах?

До середины 1800-х годов древесина была источником почти всех потребностей страны в энергии для отопления, приготовления пищи и освещения. С конца 1800-х годов до сегодняшнего дня ископаемое топливо — уголь, нефть и природный газ — были основными источниками энергии. Гидроэнергетика и древесина были наиболее используемыми возобновляемыми источниками энергии до 1990-х годов. С тех пор объем потребления энергии в США от биотоплива, геотермальной энергии, солнечной энергии и энергии ветра увеличился.Общий объем производства и потребления возобновляемой энергии в США достиг рекордных значений в 2020 году.

В 2020 году возобновляемые источники энергии обеспечили около 11,59 квадриллионов британских тепловых единиц (БТЕ) ​​(1 квадриллион — это цифра 1, за которой следуют 15 нулей), что составляет 12% от общего потребления энергии в США. На электроэнергетический сектор приходилось около 60% от общего потребления возобновляемой энергии в США в 2020 году, и около 20% от общего объема производства электроэнергии в США приходилось на возобновляемые источники энергии.

Возобновляемые источники энергии могут сыграть важную роль в U.С. Энергетическая безопасность и сокращение выбросов парниковых газов. Использование возобновляемых источников энергии может помочь сократить импорт энергии и сократить использование ископаемого топлива, которое является крупнейшим источником выбросов углекислого газа в США. В годовом прогнозе развития энергетики на 2021 год Базовый пример EIA прогнозирует, что потребление возобновляемой энергии в США будет продолжать расти до 2050 года. В базовом сценарии обычно предполагается, что действующие законы и постановления, влияющие на энергетический сектор, включая законы с датами окончания, остаются неизменными. на протяжении всего прогнозного периода.Потенциальные последствия предлагаемого законодательства, нормативных актов или стандартов не включены в AEO2021.

Последнее обновление: 20 мая 2021 г.

Альтернативы энергии: Электричество без углерода

У вас есть полный доступ к этой статье через ваше учреждение.

Эту статью лучше всего просматривать в формате PDF

Выработка электроэнергии обеспечивает 18000 тераватт-часов 90 485 энергии в год, около 40% от общего потребления энергии человечеством.При этом он производит более 10 гигатонн углекислого газа ежегодно, что является крупнейшим отраслевым вкладом в выбросы человечества от ископаемого топлива. Тем не менее, существует широкий спектр технологий — от солнечной и ветровой до ядерной и геотермальной, — которые могут генерировать электричество без чистых выбросов углерода из топлива.

Самый простой способ сократить выбросы углерода при производстве электроэнергии — повысить эффективность. Но у такой выгоды есть пределы, и есть известный парадокс, что большая эффективность может привести к большему потреблению.Таким образом, глобальный ответ на изменение климата должен включать переход на безуглеродные источники электроэнергии. Это требует свежего осмысления цен на углерод и, в некоторых случаях, новых технологий; это также означает новые системы передачи и более умные сети. Но, прежде всего, необходимо увеличить масштабы различных источников безуглеродной генерации, чтобы они могли обеспечить все более требовательный мир. В этой специальной функции Природа Команда новостей изучает, сколько безуглеродной энергии может быть в конечном итоге доступно — и какие источники имеют наибольший смысл.

Предоставлено: J. TAYLOR

.

В мире много плотин — 45 000 больших, по данным Мирового энергетического совета, и еще больше плотин малых размеров. Его гидроэлектростанции имеют генерирующую мощность 800 гигаватт (информацию о мощности см. В разделе «По цифрам»), и в настоящее время они производят почти одну пятую электроэнергии, потребляемой во всем мире. В качестве источника электроэнергии плотины уступают только ископаемому топливу и производят в 10 раз больше энергии, чем геотермальная, солнечная и ветровая энергия вместе взятые.Плотина «Три ущелья» в Китае, заявленная полная мощность которой составляет 18 гигаватт, может производить более или менее вдвое больше энергии, чем все солнечные батареи в мире. Еще 120 гигаватт мощности находятся в стадии разработки.

Одна из причин успеха гидроэнергетики заключается в том, что это широко распространенный ресурс — 160 стран в той или иной степени используют гидроэнергетику. В некоторых странах гидроэнергетика вносит наибольший вклад в электроэнергию из сетей — в развивающихся странах нередко большая плотина является основным источником выработки электроэнергии.Тем не менее, именно в крупных промышленно развитых странах с большими реками гидроэнергетика проявляется в наиболее ярком аспекте. Бразилия, Канада, Китай, Россия и США в настоящее время производят более половины мировой гидроэнергетики.

Стоимость: По данным Международной гидроэнергетической ассоциации (IHA), затраты на установку обычно находятся в диапазоне от 1 миллиона долларов США до более 5 миллионов долларов США на мегаватт мощности, в зависимости от места расположения и размера станции. Плотины в низинах и плотины с небольшим перепадом между уровнем воды и турбиной, как правило, дороже; большие плотины дешевле на ватт мощности, чем небольшие плотины в аналогичных условиях.Годовые эксплуатационные расходы низкие — 0,8–2% от капитальных затрат; электроэнергия стоит 0,03–0,10 доллара за киловатт-час, что делает плотины конкурентоспособными с углем и газом.

Вместимость: Абсолютный предел гидроэнергетики — это скорость, с которой вода течет вниз по рекам мира, превращая потенциальную энергию в кинетическую энергию при движении. Количество энергии, которое теоретически могло бы быть произведено, если бы весь мировой сток был «спущен» вниз до уровня моря, составляет более 10 тераватт. Однако редко когда можно использовать 50% мощности реки, и во многих случаях эта цифра ниже 30%.

По данным IHA, эти цифры по-прежнему открывают значительные возможности для новых мощностей. В настоящее время Европа устанавливает ориентир для использования гидроэнергетики, при этом 75% того, что считается возможным, уже эксплуатируется. Для того чтобы Африка достигла такого же уровня, ей необходимо увеличить мощность гидроэнергетики в 10 раз до более чем 100 гигаватт. Азия, которая уже имеет наибольшую установленную мощность, также имеет наибольший потенциал роста. Если бы он утроил свои генерирующие мощности, используя таким образом почти европейскую часть своего потенциала, он удвоил бы общие гидроэлектрические мощности в мире.IHA заявляет, что при достаточных инвестициях производственные мощности во всем мире могут утроиться.

Преимущества: Тот факт, что гидроэлектрические системы не требуют топлива, означает, что они также не требуют инфраструктуры для извлечения топлива и транспорта топлива. Это означает, что гигаватт гидроэлектроэнергии спасает мир не только гигаватт угля, сжигаемого на электростанции, работающей на ископаемом топливе, но также и углеродные затраты на добычу и транспортировку этого угля. Поскольку кран легко открыть, плотины могут почти мгновенно реагировать на изменение спроса на электроэнергию независимо от времени суток или погоды.Такая простота включения делает их полезной резервной копией менее надежных возобновляемых источников. Тем не менее, вариации в использовании в зависимости от потребности и сезона означают, что плотины вырабатывают около половины своей номинальной мощности.

Гидроэлектрические системы уникальны среди генерирующих систем тем, что они могут, если они правильно спроектированы, накапливать энергию, произведенную в другом месте, перекачивая воду в гору, когда энергии достаточно. Создаваемые ими водохранилища могут также обеспечивать воду для орошения, что является способом борьбы с наводнениями и создания условий для отдыха.

Недостатки: Не все регионы обладают большими гидроэнергетическими ресурсами — например, Ближний Восток относительно дефицитен. А водоемы занимают много места; сегодня площадь искусственных озер достигает двух Италии. Большие плотины и водохранилища, которые составляют большую часть этой площади и производят более 90% электроэнергии, вырабатываемой гидроэлектростанциями во всем мире, требуют длительного и дорогостоящего планирования и строительства, а также переселения людей с территории водохранилища. За последние несколько десятилетий миллионы людей были переселены в Индию и Китай.Плотины оказывают экологическое воздействие на экосистемы вверх и вниз по течению и являются препятствием для миграции рыб. Накопление наносов может сократить срок их эксплуатации, а отложения, захваченные плотиной, недоступны для тех, кто находится ниже по течению. Биомасса, которая разлагается в водохранилищах, выделяет метан и двуокись углерода, и в некоторых случаях эти выбросы могут иметь такой же порядок величины, что и выбросы, которых можно избежать, если не сжигать ископаемое топливо. Изменение климата само по себе может ограничить пропускную способность плотин в некоторых районах за счет изменения количества и характера годового стока из таких источников, как ледники Тибета.

Поскольку гидроэнергетика является зрелой технологией, мало возможностей для повышения эффективности генерации. Кроме того, были использованы более очевидные и простые места, поэтому можно ожидать, что остающийся потенциал будет труднее использовать. Небольшие (менее 10 мегаватт) «русловые» схемы, вырабатывающие энергию из естественного потока воды — как это делали мельники на протяжении четырех тысячелетий — привлекательны, поскольку они, естественно, имеют меньшее воздействие. Однако они примерно в пять раз дороже и труднее масштабируются, чем более крупные схемы.

Вердикт: Дешевая и зрелая технология, но со значительными экологическими издержками; можно добавить примерно тераватт мощности.

Предоставлено: J. TAYLOR

.

Когда 26 апреля 1986 года таял четвертый реактор Чернобыльской атомной электростанции в Украине, выпавшие радиоактивные осадки загрязнили большую часть Европы. Эта катастрофа, а также более ранний инцидент на Три-Майл-Айленде в Пенсильвании нанесли ущерб ядерной промышленности Запада на целое поколение.Однако во всем мире картина не изменилась так кардинально.

В 2007 году строилось 35 атомных станций, почти все в Азии. Согласно последним данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), которое выполняет функции мировой ядерной инспекции, 439 реакторов, которые уже находятся в эксплуатации, имеют общую мощность 370 гигаватт и дают около 15% электроэнергии, производимой во всем мире.

Затраты: В зависимости от конструкции реактора, требований площадки и нормы амортизации легководные реакторы, составляющие большую часть мировых ядерных мощностей, вырабатывают электроэнергию по цене от 0 долларов США.025 и 0,07 доллара за киловатт-час. Технология, которая делает это возможным, выиграла от десятилетий дорогостоящих исследований, разработок и закупок, субсидируемых правительствами; без этого ускорения трудно представить, что в настоящее время использовалась бы ядерная энергия.

Вместимость: Поскольку ядерная энергетика требует топлива, она ограничена запасами топлива. Согласно последнему изданию «Красной книги», в которой МАГАТЭ и Организация экономического сотрудничества могут с выгодой извлечь около 5,5 миллионов тонн урана при затратах 130 долларов США за килограмм или меньше, Операция и развитие (ОЭСР) оценивают ресурсы урана.При текущем использовании 66 500 тонн в год, это примерно на 80 лет топлива. Текущая цена на уран превышает этот порог в 130 долларов.

Геологически схожие рудные месторождения, которые еще не доказаны — «неоткрытые запасы», как полагают, составляют примерно вдвое больше доказанных запасов, а руды с более низким содержанием содержат значительно больше. Уран — не особо редкий элемент — он почти так же часто входит в состав земной коры, как цинк. Оценки конечных извлекаемых ресурсов сильно различаются, но 35 миллионов тонн можно считать доступными.И уран не единственный природный элемент, который можно превратить в ядерное топливо. Хотя они еще не разработаны, реакторы на ториевом топливе возможны; включение тория в игру удвоило бы имеющиеся запасы топлива.

Кроме того, хотя в нынешних конструкциях реакторов топливо используется только один раз, это можно изменить. Реакторы-размножители, которые производят плутоний из изотопов урана, которые сами по себе не используются для производства энергии, могут эффективно создавать больше топлива, чем они используют.Система, построенная на таких реакторах, могла бы получать в 60 раз больше энергии на каждый введенный килограмм природного урана, хотя более низкие коэффициенты могут быть более реалистичными.

С реакторами-размножителями, которые еще предстоит испытать на коммерческой основе, мир в принципе мог бы стать на 100% ядерным. Без них все еще возможно, что объем ядерных мощностей вырастет в два или три раза и будет работать на этом уровне в течение столетия или более.

Преимущества: Атомная энергетика имеет относительно низкие затраты на топливо и может работать на полную мощность почти постоянно — электростанции в США вырабатывают 90% своей номинальной мощности. Это делает их хорошо подходящими для обеспечения постоянного питания «базовой нагрузки» для национальных сетей. Уран достаточно широко распространен, поэтому мировым запасам ядерного топлива вряд ли угрожают политические факторы.

Недостатки: Не существует согласованного решения проблемы обращения с ядерными отходами, образовавшимися на атомных станциях за последние 50 лет. Без долгосрочных решений, которые требуют больше с политической, чем с технической точки зрения, рост ядерной энергетики, по понятным причинам, является трудной задачей.Еще одна проблема заключается в том, что распространение ядерной энергии трудно отделить от распространения возможностей ядерного оружия. Особую тревогу вызывают топливные циклы, которые включают рециркуляцию и, следовательно, обязательно производят плутоний. Даже без опасений по поводу распространения, атомные электростанции могут стать заманчивыми целями для террористов или сил противника (хотя в последнем случае то же самое можно сказать и о гидроэлектростанциях).

Долгосрочное стремление к значительному расширению использования ядерной энергии потребует принятия общественностью не только существующих технологий, но и новых — например, ториевых реакторов и реакторов-размножителей.Эти технологии также должны будут привлечь инвесторов и регулирующих органов (о ядерном синтезе см. «Дальше»).

Атомная энергетика также является чрезвычайно капиталоемкой; Затраты на электроэнергию в течение всего срока службы установки сравнительно невысоки только потому, что растения имеют долгий срок службы. Таким образом, в краткосрочной перспективе атомная энергетика является дорогостоящим вариантом. Еще одним препятствием может быть нехватка квалифицированных рабочих. Для строительства и эксплуатации атомных электростанций требуется очень много высококвалифицированных специалистов, и расширение этого резерва талантов, достаточное для того, чтобы удвоить скорость ввода в эксплуатацию новых станций, может оказаться очень сложной задачей.Инженерные мощности для изготовления ключевых компонентов также потребуют увеличения.

В свете этих препятствий прогнозы будущей роли ядерной энергетики значительно различаются. В «Перспективе мировых энергетических технологий — 2050» Европейской комиссии содержится оптимистичный сценарий, который предполагает, что при общественном признании и развитии новых реакторных технологий ядерная энергия может обеспечить около 1,7 тераватт к 2050 году. Аналитики МАГАТЭ более осторожны. Ханс-Хольгер Рогнер, руководитель отдела планирования и экономических исследований агентства, считает, что к 2050 году мощность увеличится не более чем до 1200 гигаватт.В междисциплинарном исследовании, проведенном в 2003 году Массачусетским технологическим институтом, описан конкретный сценарий увеличения мощности в три раза до 1000 гигаватт к 2050 году, сценарий, основанный на лидерстве США, продолжающейся приверженности Японии и возобновлении активности со стороны Европы. Этот сценарий основывался только на улучшенных версиях сегодняшних реакторов, а не на какой-либо радикально другой или улучшенной конструкции.

Вердикт: Достижение мощности в тераваттном диапазоне технически возможно в течение следующих нескольких десятилетий, но может оказаться трудным с политической точки зрения.Атмосфера общественного мнения, которая пришла к согласию с ядерной энергетикой, вполне могла быть очень уязвима для неблагоприятных событий, таких как еще одна авария масштаба Чернобыля или террористическая атака.

Предоставлено: J. TAYLOR

.

Биомасса была первым источником энергии человечества и до двадцатого века оставалась самым крупным; даже сегодня он уступает только ископаемым видам топлива. Древесина, растительные остатки и другие биологические источники являются важным источником энергии для более чем двух миллиардов человек.В основном это топливо сжигается в кострах и кухонных печах, но в последние годы биомасса стала источником электроэнергии, не использующей ископаемые виды топлива. По состоянию на 2005 год Всемирный энергетический совет оценивает мощность производства биомассы как минимум в 40 гигаватт, что больше, чем у любого возобновляемого ресурса, кроме ветра и гидроэнергии. Биомасса может дополнять уголь или, в некоторых случаях, газ на обычных электростанциях. Биомасса также используется во многих когенерационных установках, которые могут улавливать 85–90% доступной энергии за счет использования отходящего тепла, а также электроэнергии.

Затраты: Цена на электроэнергию из биомассы широко варьируется в зависимости от наличия и типа топлива, а также стоимости его транспортировки. Капитальные затраты аналогичны затратам на электростанции, работающие на ископаемом топливе. Затраты на электроэнергию могут составлять всего 0,02 доллара за киловатт-час, когда биомасса сжигается вместе с углем на обычной электростанции, но возрастают до 0,03–0,05 доллара за киловатт-час на специальной электростанции, работающей на биомассе. Затраты увеличиваются до 0,04–0,09 долл. США за киловатт-час для когенерационной установки, но рекуперация и использование отходящего тепла делает процесс намного более эффективным.Самая большая проблема для новых электростанций, работающих на биомассе, — это найти надежное и концентрированное сырье, доступное на месте; Снижение транспортных расходов означает, что электростанции, работающие на биомассе, должны быть привязаны к местному топливу и иметь довольно небольшие размеры, что увеличивает капитальные затраты на мегаватт.

Вместимость: Биомасса ограничена доступной поверхностью земли, эффективностью фотосинтеза и запасом воды. Круглый стол ОЭСР в 2007 году подсчитал, что существует, возможно, полмиллиарда гектаров земли, не используемой в сельском хозяйстве, которая будет пригодна для производства неорошаемой биомассы, и предположил, что к 2050 году эта земля, а также пожнивные остатки, лесные остатки и органические отходы могут поставлять достаточно горючего материала каждый год, чтобы обеспечить 68 000 тераватт-часов.Преобразованный в электричество с КПД 40%, он может обеспечить максимум 3 тераватта. Межправительственная группа экспертов по изменению климата оценивает потенциал примерно на уровне 120 000 тераватт-часов в 2050 году, что составляет чуть более 5 тераватт на основе более крупной оценки доступной земли.

Эти прогнозы включают некоторые довольно крайние предположения о преобразовании земель для производства энергетических культур. И даже в той степени, в которой эти предположения оказываются жизнеспособными, электричество — не единственное возможное применение таких плантаций. Сохраняя солнечную энергию в форме химических связей, биомасса лучше других возобновляемых источников энергии поддается производству топлива для транспорта (см. Стр. 841). Хотя превращение биомассы в биотопливо не так эффективно, как простое сжигание, при этом можно получить более ценный продукт. Биотопливо может легко превзойти производство электроэнергии в качестве использования биомассы в большинстве случаев.

Преимущества: Растения по своей природе углеродно-нейтральные и возобновляемые, хотя в сельском хозяйстве используются ресурсы, особенно если для этого требуется большое количество удобрений.Технологии, необходимые для сжигания биомассы, являются зрелыми и эффективными, особенно в случае когенерации. Небольшие системы, использующие пожнивные остатки, могут минимизировать транспортные расходы.

При сжигании на электростанциях, оснащенных оборудованием для улавливания и хранения углерода, биомасса из углеродно-нейтральной становится углеродно-отрицательной, эффективно высасывая диоксид углерода из атмосферы и сохраняя его в земле (см. «Улавливание и хранение углерода» ). Это делает его единственной энергетической технологией, которая действительно может снизить уровень углекислого газа в атмосфере.Однако, как и в случае с углем, улавливание углерода связано с расходами как с точки зрения создания капитала, так и с точки зрения эффективности.

Недостатки: В мире не так много земли, и большая ее часть потребуется для обеспечения продовольствием растущего населения Земли. Неясно, желательно ли позволить рыночным механизмам управлять распределением земли между топливом и продуктами питания, или это политически осуществимо. Изменение климата само по себе может повлиять на доступность подходящей земли.Вероятно, будет противодействие расширению и все более интенсивному выращиванию энергетических культур. Использование отходов и остатков может удалить углерод с земли, который в противном случае обогатил бы почву; долгосрочная устойчивость может оказаться недостижимой.

Зависимость от биоэнергетики также может открыть двери для энергетических кризисов, вызванных засухой или эпидемией, а изменения в землепользовании могут иметь собственные климатические последствия: расчистка земель для выращивания энергетических культур может привести к выбросам со скоростью, которую сами культуры трудно компенсировать .

Вердикт: Если значительное увеличение урожая энергетических культур окажется приемлемым и устойчивым, большая его часть может быть использована в топливном секторе. Однако маломасштабные системы могут быть желательны во все большем числе условий, а возможность использования углеродно-отрицательных систем, которые подходят для производства электроэнергии, но не для биотоплива, является уникальной и привлекательной возможностью.

Предоставлено: J. TAYLOR

.

Энергия ветра расширяется быстрее, чем несколько лет назад могли бы пожелать даже ее самые ярые сторонники.Соединенные Штаты добавили 5,3 гигаватт ветровой мощности в 2007 году — 35% новых генерирующих мощностей страны — и еще 225 гигаватт находятся на стадии планирования. В Соединенных Штатах планируется больше ветроэнергетических мощностей, чем для угольных и газовых электростанций вместе взятых. По данным Глобального совета по ветроэнергетике, в мире за последние пять лет мощность увеличивалась почти на 25%.

Wind Power Monthly оценивает, что установленная мощность ветра в мире на январь 2008 года составляла 94 гигаватта.Если рост продолжится на уровне 21%, эта цифра утроится за шесть лет.

Несмотря на это, цифры остаются небольшими в глобальном масштабе, особенно с учетом того, что ветряные электростанции исторически производили только 20% своей мощности.

Затраты: Затраты на установку ветроэнергетики составляют около 1,8 миллиона долларов США за мегаватт для наземных разработок и от 2,4 до 3 миллионов долларов США для морских проектов. Это составляет 0,05–0,09 доллара за киловатт-час, что делает ветер конкурентоспособным с углем в нижней части диапазона.При субсидиях, которыми пользуются многие страны, затраты намного ниже, чем на уголь — отсюда и бум. Основным ограничением для ветроэнергетических установок в настоящее время является то, насколько быстро производители могут производить турбины.

Эти затраты представляют собой значительные улучшения в технологии. В 1981 году ветряная электростанция могла состоять из набора 50-киловаттных турбин, которые производили энергию примерно по 0,40 доллара за киловатт-час. Сегодняшние турбины могут производить в 30 раз больше мощности при одной пятой цены с гораздо меньшим временем простоя.

Вместимость: Количество энергии, генерируемой движением атмосферы Земли, огромно — сотни тераватт. В статье 2005 года пара исследователей из Стэнфордского университета подсчитала, что не менее 72 тераватт могут быть эффективно произведены с использованием 2,5 миллионов современных более крупных турбин, размещенных в 13% мест по всему миру со скоростью ветра не менее 6,9 метра в секунду. и, таким образом, являются практическими сайтами (CL Archer и MZ Jacobson J. Geophys.Res. 110, D12110; 2005).

Преимущества: Главное преимущество ветра состоит в том, что он, как и гидроэнергетика, не требует топлива. Таким образом, единственные затраты связаны со строительством и обслуживанием турбин и линий электропередач. Турбины становятся больше и надежнее. Развитие технологий улавливания ветра на больших высотах могло бы предоставить источники с небольшими следами, способными генерировать энергию гораздо более устойчивым образом.

Недостатки: Конечным ограничением Wind может быть его прерывистость.Обеспечить от ветра до 20% мощности сети не так уж и сложно. Помимо этого, коммунальным предприятиям и операторам сетей необходимо предпринять дополнительные шаги, чтобы справиться с изменчивостью. Еще одна проблема с сетью, которая определенно ограничивает в ближайшем будущем, заключается в том, что самые ветреные места редко бывают самыми густонаселенными, и поэтому ветровая электроэнергия требует развития инфраструктуры, особенно для прибрежных районов.

Средняя мощность мировых ветров зимой (вверху) и летом.Возвратная энергия примерно на два порядка ниже из-за расположения турбин и технических ограничений. Предоставлено: W. T. Liu et al. Geophys. Res. Lett. 35, L13808 (2008)

Ветровая энергия не только прерывистая, но и, как и другие возобновляемые источники энергии, по своей природе имеет довольно низкую плотность. Большая ветряная электростанция обычно вырабатывает несколько ватт на квадратный метр — 10 — очень много. Таким образом, энергия ветра зависит от дешевой земли, или от земли, используемой для других целей одновременно, или от того и другого.Кроме того, его трудно развернуть в районе, где население придает большое значение безтурбинному ландшафту.

Энергия ветра также распределяется неравномерно: она благоприятствует странам, имеющим доступ к ветреным морям и их береговым бризам или огромным пустым равнинам. Германия покрыла большую часть своей самой ветреной земли турбинами, но, несмотря на эти новаторские усилия, ее совокупная мощность в 22 ГВт обеспечивает менее 7% потребностей страны в электроэнергии. По данным Британской ассоциации ветроэнергетики, Великобритания, которая гораздо медленнее внедряла ветроэнергетику, на сегодняшний день имеет самый большой оффшорный потенциал в Европе — достаточный для трехкратного удовлетворения ее потребностей в электроэнергии. По оценкам отрасли, Европейский Союз может удовлетворить 25% своих текущих потребностей в электроэнергии за счет освоения менее 5% территории Северного моря.

Согласно исследованию Дэвида Кейта, главы Группы по энергетическим и экологическим системам Университета Калгари в Канаде, такое действительно крупномасштабное развертывание схем ветроэнергетики может повлиять на местный и потенциально глобальный климат за счет изменения характера ветров. Ветер имеет тенденцию охлаждать вещи, поэтому температура вокруг очень большой ветряной электростанции может повыситься, поскольку турбины замедляют ветер для извлечения его энергии.Кейт и его команда предполагают, что мощность ветра в 2 ТВт может повлиять на температуру примерно на 0,5 ° C, с потеплением в средних широтах и ​​похолоданием на полюсах — возможно, в этом отношении компенсирует эффект глобального потепления (DW Keith et al . Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 16115–16120; 2004).

Вердикт: При широкомасштабном развертывании на равнинах Соединенных Штатов и Китая и более дешевом доступе к морю, мощность ветроэнергетики в тераватт или более является вероятной.

Предоставлено: J. TAYLOR

.

Внутри Земли содержится огромное количество тепла, часть которого осталась от первоначального слияния планеты, часть образовалась в результате распада радиоактивных элементов. Поскольку порода плохо проводит тепло, скорость, с которой это тепло течет к поверхности, очень низкая; если бы это было быстрее, ядро ​​Земли замерзло бы, и ее континенты давно перестали бы дрейфовать.

Медленный поток тепла Земли делает ее трудным ресурсом для выработки электроэнергии, за исключением нескольких конкретных мест, например, тех, где много горячих источников.Лишь пара десятков стран производят геотермальную электроэнергию, и только пять из них — Коста-Рика, Сальвадор, Исландия, Кения и Филиппины — вырабатывают таким образом более 15% своей электроэнергии. Установленная мощность геотермальной электроэнергии в мире составляет около 10 гигаватт и растет очень медленно — около 3% в год в первой половине этого десятилетия. Десять лет назад мощность геотермальной энергии превышала мощность ветра; теперь это почти в десять раз меньше.

Тепло Земли также можно использовать напрямую.В самом деле, небольшие геотермальные тепловые насосы, которые напрямую обогревают дома и предприятия, могут внести самый большой вклад, который тепло Земли может внести в мировой энергетический бюджет.

Стоимость: Стоимость геотермальной системы зависит от геологических условий. Джефферсон Тестер, инженер-химик, входивший в команду, которая подготовила влиятельный отчет Массачусетского технологического института (MIT) о геотермальных технологиях в 2006 году, объясняет ситуацию как «похожую на минеральные ресурсы».Существует целый ряд категорий ресурсов — от неглубоких высокотемпературных областей высокопористой породы до более глубоких низкопористых областей, которые сложнее эксплуатировать ». В этом отчете стоимость эксплуатации лучших участков — участков с большим количеством горячей воды, циркулирующей близко к поверхности — составляет около 0,05 доллара США за киловатт-час. Гораздо более богатые ресурсы с низким содержанием полезных ископаемых можно эксплуатировать с помощью современных технологий только по гораздо более высоким ценам.

Абсолютная мощность: Земля теряет тепло от 40 до 50 ТВт в год, что составляет в среднем чуть меньше одной десятой ватта на квадратный метр.Для сравнения, солнечный свет в среднем составляет 200 Вт на квадратный метр. Сегодняшние технологии позволяют использовать 70 ГВт глобального теплового потока. С более продвинутыми технологиями можно было бы использовать как минимум вдвое больше. В исследовании Массачусетского технологического института было высказано предположение, что использование усовершенствованных систем закачки воды на глубину с использованием сложных систем бурения позволит создать 100 ГВт геотермальной электроэнергии только в Соединенных Штатах. При аналогичных предположениях может быть достигнута глобальная цифра в тераватт или около того, предполагая, что геотермальная энергия могла бы, с большими инвестициями, обеспечить столько же электроэнергии, сколько сегодня плотины.

Преимущества: Геотермальные ресурсы не требуют топлива. Они идеально подходят для электроснабжения при базовой нагрузке, поскольку питаются от очень регулярного источника энергии. При 75% геотермальные источники имеют более высокий коэффициент использования, чем любые другие возобновляемые источники. Низкопотенциальное тепло, оставшееся после выработки, можно использовать для отопления жилых помещений или в промышленных процессах.

Разведка и бурение ранее не использовавшихся геотермальных ресурсов стало намного проще благодаря картографической технологии и буровому оборудованию, разработанным в нефтяной промышленности.Значительная программа развития технологий — Tester предлагает 1 миллиард долларов на 10 лет — может значительно расширить достижимую мощность по мере открытия ресурсов более низкого качества.

Недостатки: Высококачественные ресурсы довольно редки, и даже низкокачественные ресурсы распределяются неравномерно. Углекислый газ может просачиваться из некоторых геотермальных полей, и могут возникнуть проблемы с загрязнением; вода, которая переносит тепло на поверхность, может переносить соединения, которые не должны попадать в водоносные горизонты. В засушливых регионах доступность воды может быть ограничением. Для крупномасштабной эксплуатации требуются технологии, которые, хотя и правдоподобны, не были продемонстрированы в виде надежных работающих систем.

Вердикт: Емкость может быть увеличена более чем на порядок. Без впечатляющих улучшений он вряд ли сможет обогнать гидро- и ветер и достичь тераватта.

Предоставлено: J. TAYLOR

.

Чтобы ничего не отнять от чуда фотосинтеза, но даже в самых лучших условиях растения могут превратить лишь около 1% солнечной радиации, попадающей на их поверхности, в энергию, которую может использовать любой другой.Для сравнения: стандартная коммерческая солнечная фотоэлектрическая панель может преобразовывать 12–18% энергии солнечного света в полезную электроэнергию; Высококачественные модели имеют КПД выше 20%. Увеличение производственных мощностей и снижение затрат привели к значительному росту отрасли за последние пять лет: в 2002 году по всему миру было отправлено 550 МВт ячеек; в 2007 году этот показатель был в шесть раз больше. Общая установленная мощность солнечных элементов оценивается примерно в 9 ГВт. Однако фактическое количество вырабатываемой электроэнергии значительно меньше, поскольку ночь и облака уменьшают доступную мощность.Из всех возобновляемых источников энергии у солнечной энергии самый низкий коэффициент использования мощности — около 14%.

Солнечные элементы — не единственная технология, с помощью которой солнечный свет можно превратить в электричество. Концентрированные солнечные тепловые системы используют зеркала для фокусировки солнечного тепла, обычно нагревая рабочую жидкость, которая, в свою очередь, приводит в движение турбину. Зеркала могут быть установлены в желобах, в параболах, отслеживающих Солнце, или в массивах, которые фокусируют тепло на центральной башне. Пока что установленная мощность довольно мала, и технология всегда будет ограничиваться местами, где много дней без облаков — для этого требуется прямое солнце, тогда как фотоэлектрические батареи могут обходиться более рассеянным светом.

Затраты: Стоимость производства солнечных элементов в настоящее время составляет 1,50–2,50 долларов США за ватт генерирующей мощности, а цены находятся в диапазоне 2,50–3,50 долларов США за ватт. Затраты на установку являются дополнительными; цена полной системы обычно примерно в два раза дороже ячеек. То, что это означает с точки зрения стоимости киловатт-часа в течение срока службы установки, зависит от местоположения, но получается около 0,25–0,40 доллара США. Снижаются производственные затраты и затраты на установку, поскольку фотоэлектрические элементы, интегрированные в строительные материалы, заменяют отдельно стоящие панели для бытовых применений.Текущие технологии должны обеспечивать производство по цене менее 1 доллара за ватт в течение нескольких лет (см. _Nature_ 454, 558–559; 2008).

Стоимость киловатт-часа концентрированной солнечной тепловой энергии оценивается Национальной лабораторией возобновляемой энергии США (NREL) в Голдене, штат Колорадо, примерно в 0,17 доллара.

Вместимость: Земля получает около 100 000 ТВт солнечной энергии на своей поверхности — энергии каждый час достаточно, чтобы обеспечить потребности человечества в энергии в течение года. Есть части пустыни Сахара, пустыни Гоби в Центральной Азии, Атакамы в Перу или Большого бассейна в Соединенных Штатах, где гигаватт электроэнергии может быть произведен с использованием сегодняшних фотоэлектрических элементов в массиве 7 или 8 километров в поперечнике.Теоретически для удовлетворения всех мировых потребностей в первичной энергии может потребоваться менее одной десятой площади Сахары.

Сторонники солнечных батарей указывают на расчет NREL, утверждающий, что солнечные панели на всех пригодных для использования поверхностях жилых и коммерческих крыш могут обеспечивать Соединенные Штаты таким же количеством электроэнергии в год, сколько страна использовала в 2004 году. В более умеренном климате дела обстоят иначе. так многообещающе: в Великобритании можно было бы ожидать ежегодной инсоляции около 1000 киловатт-часов на метр на южной панели, наклоненной с учетом широты: при 10% эффективности это означает, что на одного человека потребуется более 60 квадратных метров на человека. соответствовать текущему потреблению электроэнергии в Великобритании.

Преимущества: Солнце представляет собой практически неограниченный запас топлива без каких-либо затрат, которое широко распространяется и не оставляет следов. Общественность принимает солнечную технологию и в большинстве мест одобряет ее — она ​​менее геополитическая, экологическая и эстетическая, чем ядерная, ветровая или гидроэлектростанция, хотя чрезвычайно большие установки в пустыне могут вызвать протесты.

Фотоэлектрические системы часто можно устанавливать по частям — дом за домом и бизнес за бизнесом.В этих условиях стоимость производства электроэнергии должна конкурировать с розничной ценой на электроэнергию, а не со стоимостью ее производства другими способами, что дает значительный прирост солнечной энергии. Эта технология также, очевидно, хорошо подходит для автономной генерации и, следовательно, для регионов без хорошо развитой инфраструктуры.

И фотоэлектрические, и концентрированные солнечные тепловые технологии нуждаются в улучшении. Вполне разумно представить, что через одно-два десятилетия новые технологии могут снизить стоимость ватта для фотоэлектрической энергии в десять раз, что почти невозможно представить для любого другого источника электроэнергии, не являющегося углеродным.

Недостатки: Конечным ограничением солнечной энергии является темнота. Солнечные батареи не производят электричество ночью, а в местах с частой и обширной облачностью генерация непредсказуемо колеблется в течение дня. Некоторые концентрированные солнечные тепловые системы обходят эту проблему, накапливая тепло в течение дня для использования в ночное время (расплавленная соль является одним из возможных средств хранения), что является одной из причин, по которой они могут быть предпочтительнее фотоэлектрических для больших установок. Другая возможность — распределенное хранение, возможно, в батареях электрических и гибридных автомобилей (см. Стр. 810).

Другая проблема заключается в том, что крупные установки обычно будут располагаться в пустынях, и поэтому распределение произведенной электроэнергии будет создавать проблемы. В исследовании 2006 года, проведенном Немецким аэрокосмическим центром, было предложено, что к 2050 году Европа может импортировать 100 ГВт из ассортимента фотоэлектрических и солнечных тепловых электростанций через Ближний Восток и Северную Африку. Но в отчете также отмечается, что для этого потребуются новые системы распределения электроэнергии постоянного тока высокого напряжения.

Возможный недостаток некоторых усовершенствованных фотоэлектрических элементов состоит в том, что они используют редкие элементы, стоимость которых может увеличиваться, а поставки могут быть ограничены.Однако неясно, является ли какой-либо из этих элементов действительно ограниченным — больше резервов можно было бы сделать экономически жизнеспособными, если бы спрос был выше, — или незаменимыми.

Вердикт: В среднесрочной и долгосрочной перспективе размер ресурса и потенциал для дальнейшего технологического развития не позволяют не рассматривать солнечную энергию как наиболее многообещающую безуглеродную технологию. Но без значительно расширенных возможностей хранения он не может решить проблему полностью.

Предоставлено: Дж.ТЭЙЛОР

Океаны обладают двумя видами доступной кинетической энергии — энергией приливов и волн. Ни один из них в настоящее время не вносит значительного вклада в мировое производство электроэнергии, но это не мешает энтузиастам разрабатывать схемы их использования. Несомненно, есть места, где благодаря особенностям географии приливы являются мощным ресурсом. В некоторых ситуациях этот потенциал лучше всего использовать с помощью плотины, которая создает резервуар, похожий на резервуар гидроэлектростанции, за исключением того, что он регулярно пополняется за счет притяжения Луны и Солнца, а не медленно пополняется за счет стока воды. падающий дождь.Но хотя обсуждаются различные схемы создания приливных заграждений — в первую очередь, Севернская плотина между Англией и Уэльсом, которая, по утверждениям сторонников, может предложить до 8 ГВт, — электростанция в устье Рэнса в Бретани, мощностью 240 МВт, остается мировым лидером. крупнейшая приливная электростанция спустя более 40 лет после ее ввода в эксплуатацию.

Есть также места, хорошо подходящие для систем приливного течения — затопленные турбины, которые вращаются во время прилива, как ветряные мельницы в воздухе. Турбина мощностью 1,2 МВт, установленная этим летом в устье Странгфорд-Лох, Северная Ирландия, является самой крупной из установленных на сегодняшний день такой системой.

Большинство технологий захвата мощности волн все еще находятся на стадии тестирования. Отдельные компании работают над множеством потенциальных проектов, включая машины, которые колеблются на волнах, как змея, подпрыгивают вверх и вниз, когда вода проходит по ним, или устраиваются на береговой линии, чтобы их регулярно переполняли волны, которые приводят в действие турбины, когда вода стекает. . Испытательный стенд Европейского центра морской энергии на Оркнейских островах Соединенного Королевства, где производители могут подключить прототипы к морской электросети и проверить, насколько хорошо они выдерживают удары волн, является ведущим центром исследований. Например, компания Pelamis Wave Power, базирующаяся в Эдинбурге, Великобритания, перешла от тестирования к установке трех машин у побережья Португалии, которые вместе в конечном итоге вырабатывают 2,25 МВт.

Затраты: Затраты на строительство заграждений заметно различаются от места к месту, но в целом сопоставимы с затратами на гидроэнергетику. При ориентировочной стоимости в 15 миллиардов фунтов стерлингов (30 миллиардов долларов США) или более капитальные затраты на строительство плотины Северн составят около 4 миллионов долларов на мегаватт. В отчете British Carbon Trust за 2006 год, который стимулирует инвестиции в неуглеродную энергетику, затраты на электроэнергию приливных потоков оцениваются в 0 долларов.Диапазон 20–0,40 за киловатт-час, с волновыми системами, работающими до 0,90 доллара за киловатт-час. Ни одна из технологий не приближается к крупномасштабному производству, необходимому для значительного снижения таких затрат.

Вместимость: Взаимодействие массы Земли с гравитационными полями Луны и Солнца, по оценкам, производит около 3 ТВт приливной энергии — довольно скромно для такого астрономического источника (хотя и достаточно, чтобы играть ключевую роль в сохранении океаны смешанные — см. Nature 447, 522–524; 2007).Из них, возможно, 1 ТВт находится на достаточно мелководье, чтобы его можно было легко эксплуатировать, и только небольшая часть из них реально доступна. EDF, французская энергетическая компания, разрабатывающая приливную энергию у берегов Бретани, заявляет, что потенциал приливных потоков у берегов Франции составляет 80% от потенциала, доступного для всей Европы, и все же он все еще немногим больше гигаватта.

Мощность океанских волн оценивается более чем в 100 ТВт. Европейская ассоциация океанической энергетики оценивает, что доступный глобальный ресурс составляет от 1 до 10 тераватт, но считает, что с помощью современных технологий можно извлечь гораздо меньше.Анализ, представленный в бюллетене MRS в апреле 2008 г., показывает, что около 2% береговой линии мира имеют волны с плотностью энергии 30 кВт · м ₋₁ , что дает технический потенциал около 500 ГВт для устройств, работающих на 40 кВт. % эффективность. Таким образом, даже при большом объеме разработки мощность волн вряд ли приблизится к существующей установленной мощности гидроэлектростанций.

Преимущества: Приливы в высшей степени предсказуемы, а в некоторых местах плотины действительно предлагают потенциал для крупномасштабной генерации, которая будет значительной в масштабах страны.Заграждения также предлагают некоторый встроенный потенциал для хранения вещей. Волны непостоянны, но надежнее ветра.

Недостатки: Доступные ресурсы сильно различаются в зависимости от географического положения; не у каждой страны есть береговая линия, и не на каждой береговой линии есть сильные приливы или приливные потоки, или особенно впечатляющие волны. Районы с особенно жаркими волнами включают западное побережье Австралии, Южную Африку, западное побережье Северной Америки и западноевропейское побережье. Строить турбины, способные выдержать десятилетия в море в суровых условиях, сложно.Заграждения оказывают воздействие на окружающую среду, обычно затопляя ранее приливно-болотные угодья, а системы волн, окаймляющие длинные участки впечатляющей береговой линии, могут быть трудны для восприятия населением. Приливы и волны по своей природе имеют тенденцию обнаруживаться на дальнем конце электрических сетей, поэтому возвращение энергии представляет собой дополнительную трудность. Известно, что серферы возражают…

Вердикт: Маргинальное значение в мировом масштабе.

Вставка 1: По номерам

В 2005 году было произведено 18 000 тераватт-часов электроэнергии.При почти 9000 часов в год это в среднем составляет около 2 ТВт. Генерирующая мощность намного выше, потому что есть пики и спады, и ни одна из станций не работает на полную мощность все время.

Нет аналогии, чтобы легко вообразить тераватт. Тысячная часть тераватта, гигаватт, более понятна. Это мощность довольно большой электростанции: Sizewell B, одна из крупнейших атомных электростанций Великобритании, имеет мощность около 1,2 ГВт; плотина Гувера на реке Колорадо может производить около 1.8 ГВт.

Мегаватт — это одна тысячная гигаватта. Для питания большинства современных поездов требуется 3–5 МВт (или, если вы чувствуете вспышку, вы можете представить один как мощность двух машин Формулы-1). Киловатт легко представить себе как электрический тепловентилятор.

Внутреннее потребление энергии измеряется в киловатт-часах. В 2004 году самый высокий уровень потребления электроэнергии на душу населения был в Исландии, где он достиг 28 200 кВт / ч в год. В США это около 13 300 кВт / ч в год; Таким образом, 300 миллионов американцев потребляют около 400 ГВт электроэнергии.В Чили уровень на душу населения составляет 3100 кВтч, в Китае 1600 кВтч, в Индии 460 кВтч. Самый низкий уровень на Гаити составляет 30 кВтч.

Вставка 2: Дальше

Термоядерная энергия может удовлетворить все потребности Земли в энергии. Для этого нужны только два тяжелых изотопа водорода и технология их использования. Реакторы будут производить некоторые радиоактивные отходы с низким уровнем активности, но только в меньшем количестве по сравнению с ядерным делением. Проблема в необходимой технологии — коммерческие реакторы вряд ли появятся раньше 2040-х годов.

Еще одна далекая мечта — космический спутник на солнечной энергии. На орбите солнечные панели могут впитывать солнечный свет 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, излучая его на Землю в виде микроволн. Это требует действительно дешевых космических путешествий, чтобы вывести на орбиту тысячи тонн солнечных элементов. На данный момент, к сожалению, космические путешествия действительно дороги.

Вставка 3: Улавливание и хранение углерода

Предоставлено: J. TAYLOR

.

Альтернативой отказу от ископаемого топлива является отказ от выброса CO ² в атмосферу.Технология улавливания и хранения углерода (CCS) удаляет CO ² из выхлопных газов и хранит его под землей. Технология может снизить выбросы углерода от электростанций на 80–90%, хотя с учетом факторов жизненного цикла это число может снизиться до 67%. Оценки дополнительных затрат на CCS широко варьируются в зависимости от технологии и местоположения, но это может добавить 0,01–0,05 доллара США к стоимости киловатт-часа. На угольных электростанциях технология могла бы быть конкурентоспособной, если бы CO ² стоил около 50 долларов за тонну.

Часть дополнительных затрат на CCS — это капитал, вложенный в новый завод; частично из-за снижения эффективности из-за затрат энергии на удаление углерода. Для обычной угольной электростанции потеря эффективности может достигать 40%. На более современных электростанциях с комбинированным циклом с интегрированной газификацией (IGCC), капитальные затраты на которые выше, на стадии газификации образуется поток CO ² , с которым легче справиться. Таким образом, CCS снижает эффективность установок IGCC менее чем на 20%, и их эффективность изначально выше.Пока существует очень мало заводов IGCC, но возможность введения налогов на выбросы углерода или более дорогой уголь может склонить рынок в их сторону.

Хотя ранние реализации CCS, вероятно, будут сосредоточены на закачке CO ² в истощенные нефтяные месторождения (где он уже используется для извлечения осадка), технология, скорее всего, в конечном итоге будет нацелена на солевые водоносные горизонты, которые на сегодняшний день представляют собой самая большая емкость хранения CO ² . Оценки емкости глобального водоносного горизонта варьируются от 2 000 Гт CO ² до почти 11 000 Гт CO ² , хотя этот ресурс неравномерно распределен по миру.Программа стратегии глобальных энергетических технологий, возглавляемая исследователями из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, оценивает, что 8 100 крупных предприятий по всему миру, которые могут быть кандидатами на УХУ, в настоящее время выбрасывают около 15 Гт CO ² ежегодно. Таким образом, водоносные горизонты могут обеспечивать столетия хранения при текущих уровнях CO ² , а также позволяют продолжать использование угля, пока продолжается работа по созданию менее грязной технологии базовой нагрузки.

Задача огромна, и серьезные промышленные обоснования концепции осуществимости CCS еще только начинались.Вероятность широкого распространения CCS через 10 или даже 20 лет очень мала, если технология не будет продвигаться намного более агрессивно. Самая большая проблема — масштаб. По данным Массачусетского технологического института в 2007 г., улавливание 60% CO ² с угольных электростанций в США будет означать обработку объема CO ² в день, который конкурирует с 20 миллионами баррелей нефти, перемещаемых нефтяной промышленностью. учиться. Создание такой инфраструктуры не невозможно, но создать ее за одно-два десятилетия — непростая задача.

Вставка 4: Энергия ветра

[изображение 10 справа] Средняя мощность мировых ветров в течение северной зимы (вверху) и лета. Возвратная энергия примерно на два порядка ниже из-за расположения турбин и технических ограничений. Предоставлено: W. T. Liu et al. Geophys. Res. Lett. 35, L13808 (2008)

Ссылки

1. 1

   Ключевая статистика мировой энергетики, 2007 год (Международное энергетическое агентство, 2007).

2. 2

   Hohmeyer, O. & Trittin, T. (ред.) Proc. Предварительное совещание МГЭИК по возобновляемым источникам энергии 20–25 января 2008 г. , Любек, Германия (Межправительственная группа экспертов по изменению климата, 2008 г.).

   Google Scholar

3. 3

   Смил В. Энергия в природе и обществе: общая энергетика сложных систем (MIT Press, 2008).

   Google Scholar

4. 4

   Мец, Б., Дэвидсон, О., Бош, П., Дэйв, Р., Мейер, Л. (ред.) Изменение климата 2007: Смягчение последствий изменения климата (Cambridge Univ. Press, 2007).

   Google Scholar

Скачать ссылки

Дополнительная информация

См. Редакционную статью, стр. 805. Авторы: Квирин Ширмайер, Джефф Толлефсон, Тони Скалли, Александра Витце и Оливер Мортон.

Об этой статье

Цитируйте эту статью

Schiermeier, Q., Толлефсон, Дж., Скалли, Т. и др. Альтернативы энергии: Электричество без углерода. Nature 454, 816–823 (2008). https://doi.org/10.1038/454816a

Ссылка для скачивания

Поделиться статьей

Все, с кем вы поделитесь следующей ссылкой, смогут прочитать это содержание:

Получить ссылку для совместного использования

К сожалению, в настоящее время ссылка для совместного использования отсутствует доступно для этой статьи.

Предоставлено инициативой по обмену контентом Springer Nature SharedIt

Альтернативные источники электроэнергии и внесетевые источники энергии

Поскольку новые технологические инновации продолжают предлагать новые формы чистой и зеленой энергии, возможность жить с меньшим использованием альтернативных источников энергии стала реальностью.

Альтернативные источники энергии

Альтернативное электричество вне сети через солнечные панели

Кредит изображения: OFC Pictures / Shutterstock

Солнечные, ветровые, геотермальные и гидроэнергетические средства позволяют жить «вне сети», когда зависимость от природных источников энергии заменяет зависимость от более традиционных энергосистем. Независимо от того, живете ли вы в отдаленном районе или заинтересованы в экономии энергии, инновации в области автономных источников энергии естественного происхождения доступны во многих различных формах.

Солнечные энергетические системы

Автономные энергосистемы работают независимо от линий электропередач, генерируемая энергия которых может использоваться для питания устройств. Внесеточная солнечная система, например, использует только солнечную энергию, собираемую для питания устройств в этой системе. С другой стороны, автономная гибридная система использует комбинацию солнечной, гидро- и ветровой энергии в качестве основного источника энергии для системы.

Когда дело доходит до солнечных систем, доступно множество различных конфигураций в зависимости от типа необходимой мощности (переменное или постоянное напряжение).Большинство систем, независимо от их выхода энергии, поглощают солнечную энергию аналогичным образом. Солнечные батареи — один из наиболее часто используемых методов использования солнечной энергии.

Солнечные панели состоят из нескольких солнечных элементов, называемых фотоэлектрическими элементами, которые поглощают солнечную энергию и преобразуют ее в полезную энергию. Для этого фотоэлектрические элементы состоят из полупроводниковых материалов, таких как кремний или теллурид кадмия, которые поглощают солнечную энергию, которая, в свою очередь, высвобождает электроны.Металлические контакты на разных сторонах солнечной панели направляют свободные электроны в одном направлении, создавая ток. Ток в сочетании с напряжением, хранящимся в фотоэлектрических элементах, является конечным результатом и может использоваться для питания устройств.

Гидроэнергетические системы

Гидроэнергетическая система использует силу движущейся или падающей воды для выработки энергии. Эти системы различаются по размеру в зависимости от желаемой мощности: большая гидроэнергетическая система может производить достаточно энергии, чтобы обеспечить альтернативное электричество для миллионов домов, тогда как меньшие гидроэнергетические системы могут быть спроектированы для производства энергии, достаточной для обеспечения электроэнергией одного домашнего хозяйства.

Независимо от размера системы, большинство гидроэнергетических систем разделяют несколько элементов. Во-первых, должна быть создана плотина, которая является барьером, который существенно замедляет движущийся водоем, тем самым повышая уровень воды — в результате образуется небольшой водопад или контролируемый излив воды на другой стороне плотины. Когда вода выходит через плотину, она накапливает большую силу. Турбина, устройство, которое работает почти так же, как ветряная мельница, вращается, когда вода приводит в движение лопасти турбины, и преобразует энергию воды в механическую энергию.Турбина соединена с генератором, который вращается в результате вращения турбины и преобразует механическую энергию в электрическую. Наконец, электричество подается в линии электропередачи, по которым энергия доставляется к домам или устройствам. Количество энергии, создаваемой гидроэнергетической системой, зависит от количества воды, проходящей через систему, и от того, насколько далеко вода падает.

Ветровые системы

Системы ветроэнергетики используют кинетическую энергию ветра и превращают ее в механическую или электрическую энергию, почти так же, как гидроэнергетические системы собирают энергию из воды.Основное устройство, используемое в ветровых системах, — это ветряная турбина, которая доступна как с вертикальной осью, так и с горизонтальной осью.

Наиболее часто используемый тип ветряной турбины — это турбина с горизонтальной осью, которая обычно используется в крупномасштабных ветровых системах мощностью 100 киловатт и выше. Большинство турбин включает в себя следующие элементы: ротор, гондолу, башню и некоторое электронное оборудование.

Точно так же, как гидротурбина зависит от вращения роторов, роторы ветряной турбины приводят в движение турбину при встрече с ветром.В гондоле находится генератор, который вращается вместе с роторами. Башня поддерживает ротор, narcelle и электронное оборудование, которое помогает подавать электричество, вырабатываемое ветряной турбиной, в линии электропередач.