Почему тема альтернативных источников энергии так популярна
Что произойдет, когда на планете закончатся газ и бензин? Как на самом деле меняет планету и нашу жизнь глобальное потепление? Эти вопросы в последнее время будоражат не только Грету Тунберг. Именно поэтому международные и локальные экологические организации, а также правительства стран не первый год обсуждают переход к использованию возобновляемых источников и необходимые для этого меры.
В целом энергетические ресурсы — это носители, энергия которых используется для осуществления хозяйственной или промышленной деятельности. Они могут быть возобновляемыми и невозобновляемыми. Невозобновляемые ресурсы — это привычные нам ископаемые виды топлива: нефть, природный газ, уголь. Эти источники энергии постепенно истощаются, отсюда и название. Главный минус таких ресурсов, помимо ограниченного объема на планете, заключается в том, что для получения желанной энергии их сжигают, что приводит к различным экологическим проблемам.
А вот возобновляемые источники как раз обещают решить этот вопрос. К ним относятся солнечная и геотермальная энергия, энергия ветра и гидроэнергия. Такие ресурсы и называют альтернативной энергетикой, поскольку их развитие в перспективе должно и решить потенциальный топливный кризис, и облегчить нагрузку на экологию, связанную с традиционной энергетикой.
Какие источники альтернативной энергетики развиваются сегодня
Солнечная энергетика
Солнце — самый главный источник энергии на планете: энергия, которую оно способно давать, в 10 тысяч раз превышает общемировые потребности в энергии. Солнечные панели, которые устанавливаются на открытых территориях, в том числе даже крышах, преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Под действием электрического поля фотоны (частицы света) переводят электроны в возбужденное состояние, приводя в действие инвертор. За счет него постоянный ток преобразуется в переменный, и вырабатываемая электроэнергия подается в электрическую сеть.
Для наибольшей эффективности фотоэлектрические модули устанавливают под определенным углом: чем дальше от экватора, тем он больше. Самая большая солнечная электростанция в мире под названием «Уарзазат» находится в Марокко. Тем временем прогресс в солнечной энергетике достиг таких успехов, что уже сегодня в интернет-магазинах продаются портативные солнечные батареи, например, для зарядки телефонов.
Солнечные батареи
Ветроэнергетика
Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики. Эта отрасль специализируется на преобразовании кинетической энергии в электрическую (так работают ветрогенераторы), механическую (например, ветряные мельницы, которые используются для насосных, водоподъемных и лесопильных работ) и тепловую. Крупнейшей ветровой электростанцией в мире является электростанция Ганьсу, расположенная в районе Тибета (Китай) и заменяющая собой десяток АЭС благодаря мощности в 7965 мегаватт. Так как в Тибете отсутствуют крупные потребители, продавать избыток электроэнергии собираются в соседние Непал, Бутан и Индию.
В России введены в эксплуатацию восемь ветроэлектрических станций АО «НоваВинд» общей мощностью 880 МВт в Республике Адыгея, Ставропольском крае и Ростовской области. Их выработка за первые шесть месяцев 2023 года составила 1,1 миллиарда киловатт-час. За год этот показатель увеличился на 110 миллионов киловатт-час. Показатели выработки за первые полгода равны обеспечению энергией 418,5 тысяч холодильников в год. Вместе с этим работа всех ВЭС позволила избежать выбросов парниковых газов в объеме более 380 тысяч тонн, что примерно равно объему углекислого газа, воспроизводимого 115,7 тысячи автомобилей ежегодно, учитывая тот факт, что средний дневной расход топлива одного автомобиля равен 15 литрам.
Ветроэлектрическая станция АО «НоваВинд»
Альтернативная гидроэнергетика
С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии. Впервые энергия воды для производства электричества была использована английским промышленником Уильямом Армстронгом в 1878 году, и служила она для питания лампы в его художественной галерее. Что касается энергии волн морей и океанов, то она может использоваться для генерации электроэнергии, опреснения и перекачки воды. Вот несколько принципов работы волновых электростанций:
- Принцип осциллирующего (колеблющегося) водяного столба. В таком устройстве волны заполняют специальные камеры, и, когда воздух в них сжимается, лопасти турбины начинают крутиться, вырабатывая электроэнергию.
- Принцип колеблющегося тела. В конструкции имеется несколько секций. На подвижных платформах между ними вмонтированы поршни, а к ним присоединяется двигатель, который и вращает электрический генератор.
- Установка с искусственным атоллом. На корпусе бетонного сооружения размещается площадка, на которую накатывают волны. Они накапливаются в специальном резервуаре, после чего вода попадает на гидротурбину.
Приливные же электростанции строят на берегах морей: как известно, уровень воды меняется дважды в сутки, и эта энергия приливов как раз и используется для вращения лопастей турбогенератора.
Западное побережье Европы, например, может ежегодно генерировать энергию в объеме более 280 тераватт-час, а это половина энергопотребления Германии.
Приливные энергетические турбины компании «Токардо»
Геотермальная энергетика
Геотермальная энергия вырабатывается за счет тепла недр Земли и тоже используется для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои планеты и подземные водоемы. Добраться до этого тепла можно с помощью скважин. Температура в скважине возрастает в среднем на 1 градус каждые 36 метров. Это тепло уходит на поверхность в виде пара или горячей воды, его можно использовать еще для обогрева домов. Так, рядом со зданием пробивают две геотермальные скважины по 80–90 метров, в каждую помещают геотермальный зонд. Тепловой насос поднимает нагретую воду, она проходит через теплообменник и отдает тепло во внутренний контур дома.
Метод работы геотермальных электростанций довольно прост: вода закачивается насосами через трубы, проложенные в скважинах. Проходя по этим трубам, вода нагревается и под давлением превращается в пар, который на выходе из земли попадает на лопасти паротурбинных установок и вращает их, вырабатывая энергию. Например, больше всего геотермальных станций в США, Филиппинах, Индонезии, Мексике и Исландии. Таким способом в Исландии вырабатывается около 20% от общего энергопотребления страны, в Индонезии — около 5,2%, а на Филиппинах — около 13%, однако Министерство энергетики Филиппин выработало план, согласно которому к 2030 году геотермальные источники будут вырабатывать около 40% от всей потребляемой энергии страны. Есть и недостатки: в сейсмически нестабильных районах высок риск аварий во время землетрясений, термальные воды в некоторых районах содержат горючие сопутствующие газы, работа генераторов таких станций повышает уровень шума и вибраций
Геотермальная электростанция Хедлисхейди в Исландии
Биоэнергетика
Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений:
- твердое, жидкое и газообразное (газ от переработки отходов) — например, дрова, биодизель и метан;
- топливо, полученное из остатков растительного, включая отходы промышленных производств, или животного материала (остатки жизнедеятельности животных) или специально выращенных культур;
- биотопливо из водорослей.
Получается, энергию можно получать даже из подводной травы или подсолнечного масла.
Крупнейшей в мире станцией на биотопливе является Alholmens Kraft, расположенная в Финляндии. Производимая ею энергия расходуется на отопление и питание непосредственно станции, завода по производству бумаги и близлежащих объектов. В роли топлива выступают отходы целлюлозы и древесины с того же завода — каждые несколько минут станция перерабатывает объем, эквивалентный целому грузовику.
Станция «Биогаз» компании Rolls-Royce Power Systems
Грозовая энергетика
Удивительно, но для получения энергии можно использовать и молнии. Хотя вспышка молнии длится всего миллисекунду, она может произвести 10 гигаватт электроэнергии. Это значит, что молния производит в 10 раз больше электроэнергии, чем протекает по проводам высокого напряжения.
Вообще молнии — не самый надежный источник энергии, так как заранее предугадать, где они случатся, нереально. Еще одна проблема: разряд длится доли секунды, и поэтому нужно очень быстро его «ловить». Для сохранения энергии молнии подходят высоковольтные коммутационные схемы и магнитные конденсаторы. Например, существуют патентные заявки на системы, которые используют удары молнии для нагрева жидкости, чтобы привести в действие турбину, вырабатывающую электроэнергию.
Компания Alternative Energy Holdings объявила о создании прототипа модели захвата молнии для дальнейшего ее превращения в электроэнергию. Компания сообщила, что окупится такая установка за четыре года, а молниевые фермы могут производить и продавать электроэнергию по цене всего 0,005 доллара за киловатт-час, что значительно дешевле производства энергии с помощью современных источников. Например, такие грозовые станции показали бы максимальную эффективность в Южной Америке, а именно в Венесуэле. Книга рекордов Гиннеса зафиксировала, что в регионе Кататумбо самая высокая концентрация атмосферных электрических разрядов — 250 молний на квадратный километр в год.
Молния в ночном небе
Криоэнергетика
Криоэнергетика аккумулирует избыточную энергию при помощи сжижения воздуха в холодильных установках: воздух сильно охлаждается, а полученная при этом жидкая смесь азота и кислорода закачивается в закрытое хранилище-термос. В моменты, когда сети начинают проседать под нагрузкой, жидкий воздух поступает на испаритель и, расширяясь в 700 раз, раскручивает турбину, тем самым вырабатывая энергию.
Первая в мире установка по хранению энергии жидкого воздуха была построена в Великобритании компанией Highview Power. В 2010 году разработчики этой компании запустили 350-киловаттную криогенную аккумулирующую электростанцию в промышленной зоне Слау. Принцип работы станции основан на использовании охлаждения воздуха до жидкого состояния, который затем хранится в больших изолированных цистернах. Когда требуется электричество, жидкий воздух нагревается и снова переходит в газообразное состояние, что приводит в действие турбину, вырабатывающую электричество. В периоды простоя станция вырабатывала на продажу сжиженные газы и производила холод для пищевых и металлургических комбинатов.
Баллоны с охлажденным азотом
Гравитационная энергетика
В поисках новых источников энергии человечество может применять саму основу существования всей нашей Вселенной — гравитационную энергетику. Так, принцип работы гравитационной (твердотельной аккумулирующей) электростанции таков: электроэнергия вырабатывается при вертикальном поднятии грузов на высоту нескольких сотен метров и их опускании под действием силы тяжести. Накопитель создается специально разработанными строительными манипуляторами. Это буквальный энергетический пауэрлифтинг! Такую технологию реализует, например, компания «Энергозапас».
Прототип ТАЭС AnnZaru
Управляемый термоядерный синтез
Напоследок расскажем про управляемый термоядерный синтез. Это реакция, при которой два более легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое — и при этом высвобождается огромное количество энергии. Лучше всего этот процесс протекает при запредельно высоких температурах — например, на Солнце, потому что в таких условиях перестает действовать взаимное электрическое отталкивание ядер. Проблема заключается в том, чтобы создать на Земле такие же, но контролируемые условия — и именно этим занимаются ученые, разрабатывающие термоядерный реактор. Теоретически в таком реакторе можно будет произвести один тераджоуль энергии — этого хватит одному человеку в развитой стране примерно на 60 лет. А подробнее узнать, как создать реактор мощнее атомного и обеспечить чистой и дешевой энергией весь мир, можно в нашем курсе «Приручить солнце: запускаем термоядерный реактор».
Токамак MAST
А что говорят эксперты?
По словам директора по операционной работе кластера энергоэффективных технологий «Сколково» Олега Перцовского, использование успешных отечественных высокотехнологичных стартапов и их точечное применение на территориях с подходящими для этого условиями может дать толчок распространению возобновляемых источников энергии в России.
Генеральный директор Росатома Алексей Лихачев считает, что климатические цели могут быть достигнуты только при объединении ветряной, солнечной, атомной и гидроэнергетики: «Мы называем эти четыре низкоуглеродных источника энергии “зеленым квадратом”, где атомная энергия и гидроэнергетика в нижней части обеспечивают генерацию базовой нагрузки, а ветер и солнце в верхней части отвечают за пиковую нагрузку».
