Природное топливо не безгранично, современное энергообеспечение может оказаться под ударом. Решение этой проблемы — альтернативные источники энергии, которые представляют собой комплекс способов добычи энергии из возобновляемых или практически неисчерпаемых ресурсов. Каждый день специалисты по всеми миру занимаются поиском новых видов топлива для замены традиционных источников.

Зачем нужны альтернативные источники энергии

Когда исчерпаемые источники энергии (ископаемые топлива) закончатся, человечеству придется перейти на АИЭ (альтернативные источники энергии). По данным на 2017 год 35% вырабатываемой в России электроэнергии добыты безуглеродным способом — на АЭС и ГЭС.

Использовать традиционные источники энергии проблематично по следующим причинам:

  • ТЭС использует топливо, которое закончится в ближайшем будущем. По худшим оценкам это произойдет через 30 лет;
  • Стоимость ископаемого топлива растет, поэтому поднимается цена на электроэнергию;
  • Продукты производства электроэнергии загрязняют окружающую среду;
  • Тепло, выделяемое на станциях, вызывает глобальное потепление.

У человечества один путь — переход на АИЭ.

Основные виды

Виды альтернативных источников добычи энергии не ограничиваются солнечным светом и ветром.

Вода

  • Первый тип — приливная станция. Принцип действия основан на следующем: напор воды заставляет лопасти вращаться и приводить в действие генератор. Несмотря на высокие капитальные затраты на строительство комплексов, низкие затраты на обеспечение работы делают технологию выгодной и привлекательной.

    Турбины гидроэлектростанции

  • Второй тип — волновая электростанция. Станции не только получают электроэнергию, но и гасят волны, спасая порты от разрушений. Однако ВЭС нарушают естественную экосистему водоемов, что может привести к вымиранию целых видов рыб.

    Проект волновой электрической станции

Основная проблема ГЭС – существенное негативное влияние на экологию.

Тепло земли

Еще одно направление альтернативной энергетики — производство электроэнергии из тепла земной коры. Этот способ безопасен: он использует практически неисчерпаемый ресурс. Вопреки заблуждениям геотермальные станции не влияют на остывание земного ядра.

В этой отрасли выделяют гидротермальную (водная) энергетику и петротермальную (горная).

Геотермальная станция Hellisheidi в Исландии

Главное достоинство этого способа добычи — независимость от времени года, суток.

У геотермальной энергетики есть свои недостатки. Необходимо бурить глубокие скважины (для достижения геотермического градиента в 30°C нужно достигнуть глубины в километр). Этот способ также может косвенно влиять на экологию: использованная для добычи вода содержит соли тяжелых металлов.

Биотопливо

Как выглядит биодизель

Биотопливо — это топливо из животного или растительного сырья. Главное отличие от ископаемого — большая экологичность. Делится по агрегатному состоянию на газообразное, жидкое и твердое. Для создания биотоплива используются дерево, солома, а также синтетические вещества. Например, биодизель.

Для производства биотоплива берут три поколения растений:

  • Первое поколение. Это сельскохозяйственные культуры, содержащие большое количество жиров и крахмала. Недостаток этого поколения в увеличении площади используемых земель и повышении цен на продукты, так как пищевые культуры применяются все шире;
  • Второе поколение. Это древесина, трава и остатки растений, непригодные для питания. Подобное сырье просто перерабатывать, но оно занимает большие пространства и плохо воспроизводится;
  • Третье поколение. К этому виду относятся водоросли. Они быстро воспроизводятся и содержат большую долю биомассы, при этом занимают небольшую площадь.

Сейчас чаще встречается первое поколение, хотя второе исследуется для внедрения.

Ядерная энергетика

Атомная электростанция Ясловское Богунице в Словении

Для выработки электричества этим способом используют ядерную энергию (обычно вызывают цепную реакцию урана-235 или плутония-239). Работа атомных электростанций характеризуется экологичностью (при условии безаварийной работы) и дешевой выработкой энергии. Мощность при этом можно наращивать долго.

Многие страны с большой плотностью населения сворачивают работу АЭС в связи с долгосрочным заражением и отравлением территорий в случае аварий. Италия полностью отказалась от ядерной энергетики, а Бельгия, Германия и Испания начали длительную политику по постепенному отказу от АЭС.

Другими проблемами этого вида добычи являются стоимость утилизации отработанного материала и тепловое загрязнение, при котором выброс тепла сказывается на ускорении глобального потепления.

Ветер

Источник энергии — ветер — можно преобразовать двумя способами: генераторами с вертикальной осью вращения ротора (строение сооружения проще, но КПД обычно не превышает 10%) и горизонтальной (КПД выше, достигает 30-40%).

Ветрогенераторы во время работы шумят из-за воздействия ветра на лопасти установки, поэтому обычно их ставят в отдалении от жилых домой. Расстояние должно быть как минимум 300 метров. Под самими конструкциями при этом можно свободно продолжать пахотные работы.

Ветроэнергетика сейчас показывает наибольшие перспективы и потенциал для развития. Например, преимущество ветряных станций заключается в вариативности размещения: строительство осуществляется не только на береговой линии, но и в море.

Солнце

Солнечную энергию получают одним из двух типов конструкций. Первый тип — гелиоконцентраторы. Суть их работы в концентрировании солнечных лучей системой стекол на воде, из-за чего та нагревается. Недостаток таких сооружений в сложности их конструкции.

Второй тип — фотоэлементы. Их применяют чаще из-за более низкой цены, простого строения и обслуживания. Фотоэлементы лидируют на рынке, но коэффициент полезного действия не превышает 20%.

Энергия Солнца наиболее эффективно может добываться в Саудовской Аравии и Египте, в остальных регионах вырабатываемого электричества недостаточно для полного перехода на солнечные станции.

Прочие варианты

Существуют и другие виды альтернативной энергетики:

  • Мускульная энергетика;
  • Криоэнергетика;
  • Гравитационная энергетика;
  • Вулканическая энергетика.

Но у этих способов тоже есть свои недостатки: так, последний АИЭ локален.

Преимущества и недостатки применения

Неисчерпаемость, безопасность, экологичность — это очевидные достоинства работы нетрадиционных источников, но для перехода на АЭИ необходимо решить основные проблемы отрасли.

Минусы альтернативной энергетики:

  • Сезонность;
  • Локальность;
  • Нестабильность.

Это относится не ко всем видам АИЭ, например, геотермальная электроэнергетика полностью независима от смены времен года.

Сезонность выражается в жесткой зависимости от времени года — так, в определенное время количество ветра и солнечной энергии больше, чем в остальные.

Количество вырабатываемой энергии зависит от места. Для выработки электричества из ветра важна скорость (мощность генератора равна кубу скорости, поэтому при уменьшении последнего параметра хотя бы в полтора раза, мощность уменьшается более чем в три раза). Так, ветроустановки лучше ставить на побережье, где постоянно дуют сильные ветра.

Локальность в солнечной энергетике выражается в зависимости количества вырабатываемой энергии от географической широты.

И самая главная проблема АИЭ — нестабильность. Во многом нетрадиционные источники зависят от погоды, на которую человек не только не может повлиять, но и предсказать задолго наперед.

Альтернативная энергетика в современной России

По сравнению с предыдущими годами альтернативная энергетика в России развивается быстрее, но не является преобладающей. Сегодня в стране наибольшая часть энергии добывается с помощью традиционных источников.

Солнечные электростанции

Солнечная электростанция на Урале

Потенциалом для добычи солнечной электроэнергии обладают южные районы страны, а также Западная, Восточная Сибирь и Дальний Восток. В России добывать энергию от Солнца перспективно, поэтому проекты с этим направлением получают государственную поддержку.

ГЭС и приливные электростанции

Россия активно использует водный потенциал для получения электроэнергии: по данным на 2017 год в стране имеется 15 электростанций с мощностью выше 1000 Мегаватт, и также сотни станций с меньшей мощностью. Энергия, выработанная на ГЭС, стоит в два раза меньше, чем выработанная на ТЭС.

Приливные станции требуют больших финансов, поэтому развитие этого направления в РФ не происходит. По прогнозам ученых ПЭС могли бы составить пятую часть добываемой электроэнергии в России.

Ветровые установки

Устанавливать генераторы с горизонтальной осью вращения в России невозможно из-за низкой скорости ветра. Однако часто применяются сооружения с вертикальной осью вращения.

Ветряная электростанция в Ульяновской области

По данным на 2018 год в России суммарная мощность ветровых установок составила 134 Мегаватт. Крупнейшая электростанция в Ульяновской области (мощность — 35 Мегаватт).

Геотермальные станции

В России действуют 5 геотермальных электростанций, три из которых расположены на Камчатке. По данным на 2016 год на этом полуострове ГеоЭС вырабатывает 40% потребляемой электроэнергии.

Применение биотоплива

В России также организовано производство топливо. При этом стране выгоднее разрабатывать твердое биотопливо, чем жидкое. Сейчас производство осуществляется на заводе во Владивостоке.

АЭС

Россия ведет добычу электроэнергии с помощью ядерной энергии и продолжает развиваться в этом направлении. Строятся новые станции, применяются новые способы добычи. По данным 2019 года в России действует 10 атомных электростанций. РФ занимает второе место в мире по мощности генерации электроэнергии с помощью АЭС, первенство в этой отрасли получила Китайская Народная Республика.

Ветроэнергетика

Запасов энергии ветра в 100 раз больше запасов энергии всех рек на планете. Ветровые станции помогают преобразовывать ветер в электрическую, тепловую и механическую энергию. Главное оборудование – ветрогенераторы (для образования электричества) и ветровые мельницы (для механической энергии).

Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит – особенно в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. К началу 2016 года мощность всех ветрогенераторов обогнала суммарную установленную мощность атомной энергетики.

Недостаток в том, что её нельзя контролировать (сила ветра непостоянна). Ещё ветроустановки могут вызывать радиопомехи и влиять на климат, потому что забирают часть кинетической энергии ветра – правда, учёные пока не знают хорошо это или плохо.

Гидроэнергия

Чтобы преобразовать движение воды в электричество нужны гидроэлектростанции (ГЭС) с плотинами и водохранилищами. Их ставят на реках с сильным потоком, которые не пересыхают. Плотины строят для того, чтобы добиться определённого напора воды – он заставляет двигаться лопасти гидротурбины, а она приводит в действие электрогенераторы.

Строить ГЭС дороже и сложнее относительно обычных электростанций, но цена электричества (на российских ГЭС) в два раза ниже. Турбины могут работать в разных режимах мощности и контролировать выработку электричества.

Волновая энергетика

Есть много способов генерации электричества из волн, но эффективно работают только три. Они различаются по типу установок на воде. Это камеры, нижняя часть которых погружена в воду, поплавки или установки с искусственным атоллом.

Такие волновые электростанции передают кинетическую энергию морских или океанических волн по кабелю на сушу, где она на специальных станциях преобразуется в электричество.

Этот вид используется мало – 1% от всего производства электроэнергии в мире. Системы тоже дорогие и для них нужен удобный выход к воде, который есть не у каждой страны.

Энергия приливов и отливов

Эту энергию берут от естественного подъёма и спада уровня воды. Электростанции ставят только вдоль берега, а перепад воды должен быть не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.

Приливы и отливы хорошо изучены, поэтому этот источник более предсказуем относительно других. Но освоение технологий было медленным и их доля в глобальном производстве мала. Кроме того, приливные циклы не всегда соответствуют норме потребления электричества.

Энергия температурного градиента (гидротермальная энергия)

Морская вода имеет неодинаковую температуру на поверхности и в глубине океана. Используя эту разницу, получают электроэнергию.

Первая установка, которая даёт электричество за счёт температуры океана была сделана ещё в 1930 году. Сейчас есть океанические электростанции закрытого, открытого и комбинированного типа в США и Японии.

Энергия жидкостной диффузии

Это новый вид альтернативного источника энергии. Осмотическая электростанция, установленная в устье реки, контролирует смешение солёной и пресной воды и извлекает энергию из энтропии жидкостей.

Выравнивание концентрации солей даёт избыточное давление, которое запускает вращение гидротурбины. Пока есть только одна такая энергетическая установка в Норвегии.

Геотермальная энергия

Геотермальные станции берут внутреннюю энергию Земли – горячую воду и пар. Их ставят в вулканических районах, где вода у поверхности или добраться до неё можно пробурив скважину (от 3 до 10 км.).

Извлекаемая вода отапливает здания напрямую или через теплообменный блок. Ещё её перерабатывают в электричество, когда горячий пар вращает турбину, соединённую с электрогенератором.

Недостатки: цена, угроза температуре Земли, выбросы углекислого газа и сероводорода.

Больше всего геотермальных станций в США, Филиппинах, Индонезии, Мексике и Исландии.

Биотопливо

Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.

  • Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.
  • Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).
  • Третье поколение – биотопливо из водорослей.

Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.

Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.

Плюсы и минусы альтернативной энергии

Главная перспектива альтернативных источников – существования человечества даже в условиях жёсткого дефицита нефти, газа и угля.

Преимущества:

  • Доступность – не нужно обладать нефтяными или газовыми месторождениями. Правда, это относится не ко всем видам. Страны без выхода к морю не смогут получать волновую энергию, а геотермальную можно преобразовывать только в вулканических районах.
  • Экологичность – при образовании тепла и электричества нет вредных выбросов в окружающую среду.
  • Экономия – полученная энергия имеет низкую себестоимость.

Недостатки и проблемы:

  • Траты на этапе строительства и обслуживание – оборудование и расходные материалы дорогие. Из-за этого повышается итоговая цена электроэнергии, поэтому она не всегда оправдана экономически. Сейчас главная задача разработчиков снизить себестоимость установок.
  • Зависимость от внешних факторов: невозможно контролировать силу ветра, уровень приливов, результат переработки солнечной энергии зависит от географии страны.
  • Низкий КПД и маленькая мощность установок (кроме ГЭС). Вырабатываемая мощность не всегда соответствует уровню потребления.

  • Влияние на климат. Например, спрос на биотопливо привёл к сокращению посевных площадей для продовольственных культур, а плотины для ГЭС изменили характер рыбных хозяйств.

Биотопливо на основе водорослей

Водоросли содержат до 75% натуральных масел, растут очень быстро, не нуждаются в пахотных землях или воде для полива. С одного акра (4047 кв. м.) «морской травы» можно получить от 18 до 27 тысяч литров биотоплива в год. Для сравнения: сахарный тростник при тех же исходных дает лишь 3600 литров биоэтанола.

Солнечные батареи в оконных стеклах

Стандартные солнечные батареи преобразуют энергию Солнца в электричество с эффективностью 10−20%, а их эксплуатация довольно затратна. Но недавно ученые из университета Калифорнии разработали прозрачные панели на основе относительно недорогого пластика. Батареи черпают энергию из инфракрасного света и могут заменить обычные оконные стекла.

Вулканическое электричество

Принцип работы геотермальной электростанции такой же, как и у теплоэлектростанции, только вместо угля используется тепло земных недр. Для добычи этого вида энергии идеальны районы с высокой вулканической активностью, где магма подходит близко к поверхности.

Сферическая солнечная батарея

Даже в облачный день заполненный жидкостью стеклянный шар Betaray работает в четыре раза эффективнее, чем обычная солнечная батарея. И даже в ясную ночь сфера не дремлет, извлекая энергию из лунного света.

Вирус М13

Ученым Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Калифорния) удалось модифицировать вирус-бактериофаг М13 так, что он создает электрический заряд при механической деформации материала. Чтобы получить электричество, достаточно нажать на кнопку или провести пальцем по дисплею. Впрочем, пока максимальный заряд, который удалось получить «инфекционным путем», равен возможностям четверти микропальчиковой батарейки.

Торий

Торий — радиоактивный металл, похожий на уран, но способный давать в 90 раз больше энергии при распаде. В природе он встречается в 3-4 раза чаще, чем уран, а всего один грамм вещества по количеству выделяемого тепла эквивалентен 7400 галлонам (33640 литрам) бензина. 8 грамм тория хватит, чтобы автомобиль мог ехать более 100 лет или 1,6 млн км без дозаправки. В общем, компания Laser Power Systems объявила о начале работ над ториевым двигателем. Посмотрим-с!

Микроволновый двигатель

Как известно, космический корабль получает импульс для взлета за счет выброса и сгорания ракетного топлива. Основы физики попытался перечеркнуть Роджер Шойер. Его двигатель EMDrive (мы о нем писали) не нуждается в горючем, создавая тягу с помощью микроволн, которые отражаются от внутренних стенок герметичного контейнера. Впереди еще долгий путь: силы тяги такого мотора не хватает даже для того, чтобы сбросить со стола монету.

Международный экспериментальный термоядерный реактор

Предназначение ITER— воссоздать процессы, происходящие внутри звезд. В противовес расщеплению ядра речь идет о безопасном и безотходном синтезе двух элементов. Получив 50 мегаватт энергии, ITER вернет 500 мегаватт — достаточно, чтобы обеспечить электричеством 130 000 домов. Запуск реактора, базирующегося на юге Франции, произойдет в начале 2030-х, а подключить его к энергетической сети получится не раньше 2040 года.

Николай Дикобпев

Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии

Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.

First Solar Inc.

Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.

Vestas Wind Systems A/S

Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.

Atlantica Yield PLC

Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.

ABB Ltd. Asea Brown Boveri

Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.

Читайте: Персональный мир и полная автоматизация. Что такое четвёртая промышленная революция?

Что можно использовать в частном доме

Получение энергии с помощью альтернативных источников возможно не только для компаний и государства. Существуют различные установки и приборы, помогающие вырабатывать электричество нетрадиционным путем. Альтернативные способы получения энергии помогают экономить на счетах и в случае аварийного отключения электричества не остаться без света.

Солнечные панели

Панели установлены на крыше

Солнечные панели помогут получить экологичную энергию для дома. Для покупки вам нужно рассчитать необходимую мощность и выбрать место для крепления. Покупка и установка фотоэлементов оправдана и окупается в будущем.

Солнечные коллекторы

Солнечные коллекторы нагреваются на солнце, направляют накопленное тепло к воде и нагревают ее. Таким образом, это устройство обеспечивает отопление и горячую воду в любой сезон.

Ветрогенераторы

Генераторы аккумулируют энергию, а впоследствии потребляется бытовыми приборами. Обычно устанавливают несколько устройств, которые попеременно включаются в случае аварийного отключения.

Тепловые насосы

Тепловые насосы в любое время года нагревают помещение до необходимой температуры. Большинство из них оборудованы обратной функцией — охлаждением, что будет кстати летом. В качестве источника может использоваться вода, ветер или тепло земли.

Производство биогаза

Домашнее производство биогаза позволяет заменить применение ископаемого топлива в быту на его более экологичный и дешевый аналог. Биогазовую установку можно купить или построить самостоятельно.

Мини гидроэлектростанция

Мини ГЭС — это небольшие станции, которые производят электричество для отдельного дома. Используют эту установку в качестве основного или резервного источника энергии. Портативные гидроэлектростанции — альтернатива для удаленных и труднодоступных районов.

Прочие возможности

Существуют и более редкие возможности, однако их дорого реализовывать. Например, инфракрасные излучатели для обогрева помещения. На мировом рынке можно встретить водородные котлы, обеспечивающие тепло за счет химических реакций между кислородом и водородом.

Возможно ли в домашней обстановке сделать собственными руками оборудование для получения энергии?

Если вы обладаете свободным временем, желанием, умением работать с ручными инструментами, у вас есть возможность для создания установок и последующего использования альтернативных источников для собственных нужд, чтобы обеспечивать себя тепловой и электрической энергией.

Аналогичная ситуация со всеми перечисленными выше видами альтернативной энергетики.

Для оснащения солнечной электростанции можно заняться самостоятельным изготовлением солнечных батарей, с использованием фотоэлементов заводского производства, а также осуществить сборку контроллера заряда и инвертора, являющихся элементами в таких установках.

Для ветровой установки, как и для солнечной станции, возможно изготовление электронных устройств (например, инвертора), сборка которых достаточно проста. Вы можете воспользоваться существующими электрическими схемами и элементами заводского производства. Изготовление самого важного элемента – ветрогенератора – возможно из доступных материалов и запчастей.

Возможность изготовления и монтажа микро ГЭС есть у каждого, при наличии реки или водоема, соответствующего сооружению плотины. Особенности конструкции и вида гидротурбины соответствуют типу водоема и рельефу местности.

Возможность создания биогазовой установки есть у каждого сельского жителя. Необходимо лишь обладать достаточным количеством биомассы и температурой, соответствующей условиям процесса брожения.

Что можно сделать своими руками

Альтернативная энергетика “своими руками” доступна каждому. Не нужно тратить много денег, чтобы экономить на счетах и при этом не вредить экологии. Изготовить можно практически все что угодно.

  • Топливные брикеты из подручных материалов (например, бумага);
  • Генератор ручной работы с ионистором;
  • Генератор на бензине;
  • Солнечная панель в смартфоне;
  • Коллектор из поликарбоната;
  • Небольшая версия ветрогенератора.

Самостоятельно можно создать установки, которые снизят затраты на счетах без уменьшения потребления электричества.

Рубрики: Статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *