Содержание
Энергетика будущего
Тренд на возобновляемую энергетику становится всё более очевидным в масштабах планеты. Он необходим, чтобы уменьшить негативное влияние продуктов переработки углеводородов на окружающую среду. На долю солнечной и ветровой энергетики уже приходится около 8 процентов мирового потребления электроэнергии.
В России с 2014 года работает государственная программа «Развитие энергетики», в рамках которой предусмотрены долгосрочные стратегии развития отрасли на основе возобновляемых источников (ВИЭ). Это ветроэнергетика, солнечная энергетика, геотермальная энергетика. Также предполагается строительство объектов генерации на основе ВИЭ и производство оборудования для альтернативной энергетики.
Научные центры вносят существенный вклад в развитие прорывных экологичных разработок согласно Стратегии научно-технологического развития РФ.
Представляем дайджест достижений вузов, входящих в Проект 5-100, которые еще на шаг приближают нас к эре альтернативной энергетики.
В Дальневосточном федеральном университете установили закономерности влияния формы тепловых аккумуляторов на их эффективность.
Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) провели серию экспериментов, в ходе которых удалось установить корреляцию между формой теплового аккумулятора и его эффективностью. Благодаря новым сведениям удастся модифицировать устройства накопления энергии и сделать их более производительными и экономически выгодными.
В исследовании рассматривались тепловые накопители, которые применяются в прогрессивных энергетических системах. При нагревании гранулы активного вещества плавятся, тепловая энергия (газ) накапливается. Но при остывании снова происходит переход в твердое состояние, и газ высвобождается.
Фото: zimaletostroy.ru
«Исследуя процессы зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов разных форм, мы применили шесть различных критериев эффективности, – объясняет профессор Инженерного департамента Политехнического института ДВФУ, заведующий лабораторией ИАПУ ДВО РАН Николай Луценко, – иногда наиболее предпочтительным может быть такой аккумулятор, в котором сохранится как можно больше проходящей через него энергии.
В другом случае может понадобиться аккумулятор с наименьшим временем зарядки. Также в случае разрядки кому-то требуется аккумулятор, который отдает наибольший процент запасенной энергии, а для других может оказаться более полезным аккумулятор, поддерживающий максимально долго температуру газа на выходе не ниже требуемой».
С помощью специальной компьютерной программы ученые просчитали, что из-за постоянных смен нагрева и охлаждения, а как следствие расширения и сужения аккумуляторов, бóльшим преимуществом обладают цилиндрические накопители с прямыми стенками. Но для отдельных случаев и специальных условий может быть предпочтительной и другая форма аккумулятора.
Накопители тепловой энергии входят в состав аккумуляторов разных типов. Они необходимы, чтобы запасать энергию от традиционных электростанций ночью или же солнечных батарей и ветрогенераторов днем, которая будет отдаваться в моменты самого высокого потребления по более низкой цене.
Над проблемой «Как получить более дешевую энергию максимально эффективно?» также борются ученые из ИТМО.
Они совместно с НПЦ «Прецизионная электромеханика» и Лабораторией гибридной нанофотоники и оптоэлектроники (Perolab) реализуют междисциплинарный проект по развертыванию «умной» микроэнергетической системы.
Фото: Модуль умного окна / Николай Поляков (ИТМО)
Процессы урбанизации и диджитализации значительно увеличивают нагрузку на городские электросети. Что закономерно ведет к сбоям в системе. Даже выход из строя одного элемента может повлечь за собой масштабные негативные последствия.
Чтобы предвосхитить нежелательные события и разгрузить городские системы, специалистами было предложено новое направление – «умное» управление энергообеспечением.
«У каждой системы есть циклограмма потребления энергии, – объясняет доцент факультета систем управления и робототехники Университета ИТМО Николай Поляков. – Возьмем, к примеру, офисное здание. Туда все приходят более или менее одновременно, включают компьютеры, ставят чайники – в этот момент в здании резко возрастает потребление энергии.
Вскоре этот пик может сгладиться, ведь кто-то начнет активно работать, а кто-то уедет по делам, кто-то выскочит за кофе, кто-то пойдет на совещание. Тем не менее при проектировании традиционной системы всегда приходится делать расчет системы из условия работы на уровне пиковой нагрузки сети».
Логично, что это в итоге ведет к удорожанию всей энергетической инфраструктуры. К сожалению, нельзя просто из соображений экономии снижать выработку энергии к обеду.
Ученые ИТМО предлагают переход на микроэнергетические системы для отдельных зданий, которые могут в течение дня уменьшить нагрузку на инфраструктуру, адаптируясь под скачки энергопотребления. В данный момент специалисты собирают экспериментальные образцы «умных» силовых преобразователей для микроэнергетической системы общей мощностью 15 кВт – столько потребляет среднестатистический частный дом.
Предполагается, что комплекс интеллектуальных силовых преобразователей с накопителями энергии, датчиками и «умными» контроллерами будет анализировать выработку энергии в течение дня, чтобы в момент пиковой нагрузки в здании выйти на свою максимальную производительность, таким образом разгружая городскую сеть.
Идеально с точки зрения экологии и эффективности система будет работать в комплекте с солнечной батареей или ветрогенератором, которые могут аккумулировать энергию в своих накопителях, отдавая ее в нужный момент.
Еще одна уникальная разработка Лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО – модули умного окна. Как объяснил Николай Поляков: «Такое устройство должно выполнять три функции: пропускать солнечный свет как обычное окно, преобразовывать солнечный свет в электричество в дневное время суток и работать как светоизлучающий прибор с мягким диффузионным светом вечером и ночью, по желанию пользователя».
Главное в гибридных системах нового поколения – возможность контролировать и оптимизировать потоки энергии на принципиально ином уровне – в сочетании с альтернативными источниками и собственными накопителями. Если в будущем такими системами будут снабжены отдельные дома, скажем, одного поселка, то они смогут сохранить такой резерв мощности, что снизят энергопотребление всей инфраструктуры.
Например, ветрогенераторы могут накопить энергию ночью, по дешевому тарифу, а расходовать ее днем. Или же электричество от умного окна сможет поступить в общую сеть через солнечный инвертор (еще одна разработка ученых ИТМО). В дополнение к вышесказанному «умные» системы в целом увеличат надежность системы электроснабжения.
Фото: altenergiya.ru
В «ЛЭТИ» тоже давно ведутся разработки с использованием солнечной энергетики: это и солнечные панели, и системы питания дронов и роботов, и «умные» системы освещения. На кафедре фотоники СПбГЭТУ регулярно проводят исследования по увеличению эффективности и снижению себестоимости различных солнечных элементов. Так, ученые «ЛЭТИ» предлагают внедрять солнечные электростанции на основе гибридных и мультикаскадных сложных систем на удаленные объекты и дома, не подключенные к центральной электросети.
На прошедшем 5 сентября в Гатчине Всероссийском фестивале энергосбережения и экологии «Вместе Ярче» были представлены лучшие изобретения и опытные образцы из Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета.
«Мы представили одни из самых современных солнечных панелей мирового уровня, выполненные по технологии HJT производства компании „Хэвел“, сотрудниками которой являются многие выпускники СПбГЭТУ „ЛЭТИ“. Такие панели позволяют вырабатывать солнечную энергию даже в пасмурную погоду. Мы показали наши самые важные с практической точки зрения разработки: энергетическую мини-электростанцию на основе солнечных элементов, воздушные и наземные дроны, питаемые от солнечных панелей, „солнечные“ фонари и другие разработки», – поделился ассистент кафедры фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Иван Игоревич Михайлов.
Важно отметить, что, кроме разработки передовых технологий в солнечной энергетике, университеты Проекта 5-100 занимаются обучением и повышением квалификации кадров для этой области. На базе ДВФУ давно существует Центр энергоэффективности, а также есть магистерские программы «Энергоэффективность и энергосбережение в электроэнергетических системах» и «Оптимизация развивающихся систем электроснабжения», в ИТМО есть курсы «Промышленная экология и чистое производство», а также «Биоэкономика и управление ресурсами», а в «ЛЭТИ» с 2011 года на кафедре фотоники при поддержке ГК «Роснанотех» функционирует магистерская программа «Солнечная гетероструктурная фотоэнергетика».
Эти университетские программы позволят достигнуть отличных результатов в рамках федерального проекта «Молодые профессионалы (Повышение конкурентоспособности профессионального образования)» национального проекта «Образование», а также обеспечат экономику России высококвалифицированными кадрами, активно развивающими альтернативную энергетику с заботой об экологии.
Энергетика будущего:
Человечество получает больше всего энергии, сжигая ископаемое топливо: нефть, газ и уголь. Это влияет на климат, он меняется, а вслед за ним и привычные для человека условия обитания. Тысячи специалистов по всему миру работают над решением этой проблемы. РБК в месяц энергетики будущего, каким объявлен октябрь в рамках Года науки и технологий, поговорил с Эмином Аскеровым, генеральным директором компании «РЭНЕРА» (отраслевой интегратор «Росатома» по системам накопления энергии, входит в состав Топливной компании ТВЭЛ). Аскеров рассказал, зачем атомной промышленности искусственный интеллект, и почему нужно отменить плату за электричество.
Какой будет энергетика будущего
Климат меняется — и это факт. Хотя это происходило на протяжении всей истории существования человека, в последние 100 лет изменения стали слишком стремительными. Уже сейчас осадки довольно непредсказуемы, что вызывает серьезные опасения у работников агросектора. В каких-то местах годовое количество осадков может значительно уменьшится, в других — остаться прежним, но выпадать они могут с большими интервалами, в виде гораздо более сильных и кратковременных ливней, вызывающих усиление засух и наводнений. Помимо этого возрастает опасность интенсивных штормов и ураганов. Поэтому очевидно, что это один из первоочередных вопросов в глобальной повестке.
К изменениям климата приводит парниковый эффект. Аэрозоли и вещества, выделяющиеся при горении топлива, не исчезают бесследно: они остаются в атмосфере. Когда свет солнца отражается от земной поверхности, он тут же отражается от бесконечного множества аэрозольных частиц. Еще планета отдает тепловую радиацию— длинноволновое инфракрасное излучение.
Его не пропускают в космос парниковые газы, задерживая в атмосфере и таким образом повышая температуру на планете.
Проблему выбросов парниковых газов решить возможно — в этом направлении ведутся разработки уже не одно десятилетие. Известно, что большую часть парниковых газов выбрасывает энергетический сектор — около 80 процентов. Нужно учесть, что сюда входят выбросы от получения энергии автомобилем (то есть сжигания бензина), отопление домов и освещение городов. Поэтому если человечество найдет способ сделать энергетику «зеленой», то есть безуглеродной или низкоуглеродной, то это будет значимым шагом на пути к остановке изменения климата.
В перестройке энергетики в этом направлении приходится решать множество задач, одна из которых довольно парадоксальна: как снизить экологический урон от самих «зеленых» источников энергии? Солнечные батареи и турбины, получающие энергию с помощью ветра, человечество умеет перерабатывать почти на 100 процентов. К работе гидростанций же есть вопросы: например, из-за них может изменится экосистема рек.
Атомная энергетика похожа на солнечную и ветряную: весь вопрос в том, как вы утилизируете отходы. Сейчас Госкорпорация Росатом как раз работает над тем, чтобы сделать производство практически безотходным, используя ядерные отходы повторно.
Это часть последовательной деятельности «Росатома» по созданию энергетики будущего, в основании которой лежит «зеленый квадрат». Он предполагает развитие технологий, при которых тепловые выбросы и образование углекислого газа близки к нулю: солнечные, ветровые, атомные и гидроэлектростанции не используют химическую реакцию горения.
Кроме минимизации экологического вреда, для энергетики будущего характерно использование передовых компьютерных технологий. Уже сейчас компания Атомэнергопромсбыт создала искусственный интеллект, который управляет накопителями энергии в автономном режиме, и сам решает, когда его заряжать, а когда разряжать. Эмин Аскеров объясняет: «…[искусственный интеллект] знает, что происходит на рынке электроэнергии и что нужно потребителю.
Он анализирует, сколько стоит энергия на рынке. Дешевая? Берем от рынка. Дорогая? Берем из накопителя».
Но это было бы невозможно без особых накопителей. Эмин Аскеров руководит компанией «РЭНЕРА», отраслевым интегратором «Росатома» по системам накопления энергии. Один из его проектов — разработка литий-ионных батарей.
«Долгое время мы жили в парадигме, что энергию нельзя хранить, — объясняет Аскеров, — и все энергосистемы были построены таким образом, чтобы мы потребляли электроэнергию в момент ее производства. Накопитель энергии эту парадигму меняет: электроэнергию можно хранить портативно и долго — и ничего с ней не случится. Мы можем построить принципиально другую энергосистему: небольшую, распределенную, умную».
Смартфон без литий-ионной батареи — это исключение из правил, и не случайное. Она маленькая и достаточно долго хранит электроэнергию. Эти же аккумуляторы используют в электромобилях — сейчас на них можно проехать до 500 километров без подзарядки. По мнению Эмина Аскерова ключевую роль в распространении электромобилей сыграют литий-ионные аккумуляторы: «.
..литий-ион станет новой нефтью».
Настоящее будущее
В 2016 году 196 стран приняли Парижское соглашение, главная задача которого — снизить выбросы так, чтобы температура Земли не повышалась более чем на два градуса. Эмин Аскеров считает, что «…это достаточно беспрецедентная история, когда весь мир объединяется, чтобы бороться с единой угрозой, и все понимают, что всем надо что-то с этим делать».
Уже сейчас Дания почти полностью перешла на возобновляемые источники энергии, в стране развивается система для комфортного использования электротранспорта. Китай, лидер по выбросам, планирует прийти к углеродной нейтральности к 2050 году. Правительство Российской Федерации недавно утвердило концепцию развития электромобилей в России. По прогнозам к 2030 году в России должно производиться не менее 200 тысяч электромобилей. А Евросоюз к 2030 планирует вообще отказаться от двигателей внутреннего сгорания. Поэтому повсеместные электромобили — это только вопрос времени.
Эмин Аскеров оценивает перспективы «зеленой» энергетики очень оптимистично.
По его мнению, она не только остановит изменения климата, но и энергии от ее использования «…может быть больше, чем мы сможем использовать. Я думаю мы научимся добывать энергию так, чтобы не наносить ущерб окружающей среде, эту задачу можно решить. И когда мы это сделаем, то энергия станет избыточной».
«На одной конференции, — рассказывает Аскеров, — я сказал, что поддерживаю отмену платы за электроэнергию. Почему? Это не моя идея, а Джереми Рифкина, апологета зеленой энергетики. Он сравнивает энергетику на возобновляемых источниках с дорогами, строительством и ремонтом которых занимается государство. Мы за них не платим отдельно, только налогами. На поддержание нормального состояния дорог не нужно ежедневных трат. Да, при их строительстве нужны капитальные вложения, не переменные издержки очень малы. Вам выгодно построить это раз и использовать долго. Электроэнергия, вырабатываемая на возобновляемых источниках, имеет те же характеристики. Вы один раз построили АЭС, ГЭС или ВЭС — и долго получаете энергию, практически не неся затрат».
«Все, чем мы пользуемся в жизни, — продолжает Аскеров, — это результат развития науки. Не было такого, чтобы мы слепо поверили, что у нас будет автомобиль — и он появился. Нет, это результат долгой кропотливой, упорной работы применения научного подхода к той или иной проблеме. Именно это позволяет человечеству достичь каких-то следующих, следующих улучшений даже тогда, когда кажется, что уже вроде бы ничего нельзя сделать и мы бессильны».
Возобновляемая энергия и энергоресурсы будущего
Человеческая раса в своей нескончаемой борьбе за улучшение своего уровня жизни неизменно зависела от колоссального количества электроэнергии для подпитки нашей эволюции. Согласно современной оценке National Geographic, мы ежедневно используем 320 миллиардов киловатт-часов энергии. Сегодня большая часть этой огромной потребности удовлетворяется за счет сжигания ископаемого топлива. До сих пор ископаемые виды топлива очень эффективно удовлетворяли наши энергетические потребности, но они также невозобновляемы и быстро истощаются.
Эти источники топлива также внесли большой вклад в выбросы парниковых газов и загрязнение окружающей среды. Пришло время найти подходящие и лучшие заменители ископаемого топлива. Ученые постоянно исследуют новые и более экологичные источники энергии, которые оказывают ограниченное воздействие на окружающую среду и уменьшают их вклад в глобальное потепление, которое, как считается, вызвано выбросом углекислого газа при сжигании ископаемого топлива.
Атомная энергия, солнечная энергия, энергия ветра и биотоплива — это лишь некоторые из многообещающих альтернатив более чистому и экологичному будущему. Также изучаются другие относительно новые источники энергии, такие как топливные элементы, геотермальная энергия и энергия океана. В следующих разделах мы рассмотрим текущие источники энергии, а также обсудим возможные будущие источники энергии.
Ископаемое топливо – уголь
Ископаемое топливо – это остатки мертвых растений и животных на суше и на морском дне.
Они образуются из окаменелых останков мертвых животных и растений, подвергавшихся воздействию тепла и давления в земной коре на протяжении сотен миллионов лет.
Ископаемые виды топлива в основном состоят из углеводородов. Они содержат углерод и водород в различных соотношениях, например, метан с низким соотношением углерода к водороду или антрацитовый уголь, который представляет собой почти чистый углерод. Углеводороды образуются, когда окаменелые останки мертвых организмов химически изменяются в течение сотен миллионов лет под воздействием сильного давления и тепла, обнаруженных в земной коре. Химическая энергия, «сохраненная» в этих видах топлива, высвобождается во время сгорания для производства электроэнергии.
Согласно оценкам, предоставленным Управлением энергетической информации, ископаемые виды топлива составляют 86% всей энергии, производимой в мире. Из них на долю нефти приходилось 36,8%, угля 26,6% и природного газа 22,9%.
Однако ископаемое топливо является невозобновляемым источником энергии.
Для их формирования требуются сотни миллионов лет, и они истощаются гораздо быстрее, чем могут быть созданы новые запасы. Подсчитано, что для производства 1 литра бензина требуется 23,5 тонны ископаемого органического материала, осевшего на дне океана. В 1997, общее количество использованного ископаемого топлива было эквивалентно растительному веществу, которое росло на всей суше и поверхности океана земли в течение 422 лет.
Еще одним недостатком нашей сильной зависимости от ископаемого топлива является количество углекислого газа, образующегося при сжигании, которое оценивается в 21,3 миллиарда тонн в год. Однако естественные процессы способны поглотить лишь около половины всего количества выбросов углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу, а это значит, что каждый год количество углекислого газа в атмосфере увеличивается 0019
увеличивается на 10,65 млрд тонн, что, как предполагается, является основным фактором глобального потепления, которое потенциально может иметь очень неблагоприятные последствия для экосистемы.
Ископаемое топливо – природный газ
Природный газ обычно находится вместе с ископаемым топливом, в угольных пластах и в других типах горных пород. Он создается метаногенными организмами, присутствующими на свалках, болотах и водно-болотных угодьях. Он естественным образом состоит из метана и небольшого количества других газов, таких как этан, пропан, бутан, пентан, углеводородов с более высокой молекулярной массой, серы, гелия и азота. Компоненты природного газа, кроме метана, необходимо удалить, прежде чем природный газ можно будет использовать в качестве источника топлива. Прочтите «Генераторы на природном газе: альтернатива дизельному топливу», где в качестве примера показаны существующие технологии, использующие природный ресурс, более безопасный для окружающей среды, в качестве топлива.
Хотя природный газ считается более чистым, чем другие ископаемые виды топлива, было обнаружено, что он способствует загрязнению окружающей среды и глобальному потеплению.
Хотя его можно использовать для пополнения постоянно истощающихся мировых запасов традиционных ископаемых видов топлива, он не является на 100% чистой и не загрязняющей окружающую среду альтернативой. В 2004 году выбросы углекислого газа в результате использования природного газа составили 5 300 миллионов тонн, а выбросы углекислого газа от угля и нефти составили 10 600 миллионов тонн и 10 200 миллионов тонн соответственно. Однако ожидается, что эта тенденция изменится к 2030 году, когда природный газ, вероятно, будет выделять 11 000 миллионов тонн углекислого газа по сравнению с 8 400 миллионами тонн угля и 17 200 тонн нефти в то время. Кроме того, при прямом выбросе в атмосферу природный газ является гораздо более сильным парниковым газом, чем двуокись углерода, но, поскольку это происходит в очень небольших количествах, в настоящее время он не вызывает серьезного беспокойства.
Солнечная энергия
Почти все в этом мире в конечном счете получает энергию от солнца.
Вместо того, чтобы получать солнечную энергию из косвенных источников, таких как ископаемое топливо, исследователи и организации во всем мире стремятся напрямую использовать этот неограниченный источник энергии.
Земля получает около 174 миллиардов мегаватт энергии в верхних слоях атмосферы в результате солнечной радиации. Около 30% падающей солнечной радиации отражается обратно, а оставшаяся часть, составляющая 3,85 х 1024 Дж ежегодно, поглощается атмосферой, океанами и сушей. Количество солнечной энергии, доступной нам в течение часа, больше, чем общее количество энергии, потребляемой во всем мире за целый год. Но это рассеянная, а не концентрированная форма энергии, и самая большая проблема заключается в ее использовании.
Тепловое и световое излучение солнца можно использовать с помощью полупроводниковых солнечных панелей. Энергия солнечного излучения возбуждает электроны на этих панелях и приводит к выработке электрической энергии.
Одним из самых больших препятствий на пути использования солнечной энергии является создание экономически эффективных солнечных панелей.
Стоимость солнечной энергии составляет около 8-15 центов США за киловатт-час по сравнению со стоимостью электроэнергии на основе угля в 6 центов США за киловатт-час.
Надлежащее хранение энергии является еще одним серьезным препятствием. Солнечная энергия недоступна ночью, но современные энергетические системы обычно предполагают постоянное наличие энергии. Системы тепловой массы, системы накопления тепла, материалы с фазовым переходом, автономные фотоэлектрические системы и гидроаккумулирующие гидроэлектростанции — вот некоторые из способов хранения солнечной энергии для последующего использования.
Несмотря на все технологические достижения, технология использования солнечной энергии все еще находится в зачаточном состоянии. Пока мы не усовершенствуем технологию и не сможем использовать и хранить солнечную энергию жизнеспособным и экономически эффективным способом, ископаемое топливо будет оставаться наиболее часто используемым источником энергии.
Атомная энергия
Поскольку мировой спрос на электроэнергию продолжает расти, ядерная энергия приобретает все большее значение как чистый источник энергии, который, как ожидается, решит глобальную проблему изменения климата.
Волатильность цен на ископаемое топливо и растущая озабоченность стран по обеспечению энергоснабжения являются другими движущими силами ядерной энергетики.
В настоящее время в 30 странах мира эксплуатируется 439 ядерных энергетических реакторов. Это составляет 14% от общего производства электроэнергии в мире. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) ожидает, что мировая мощность ядерной энергетики вырастет с нынешних 372 гигаватт (ГВт) до 437–542 ГВт к 2020 году и до 473–748 ГВт к 2030 году. надежный и чистый источник энергии, необходимо решить несколько проблем. Некоторые из них включают повышение экономической конкурентоспособности, проектирование безопасных и надежных атомных электростанций, обращение с отработавшим топливом и захоронение радиоактивных отходов, подготовку достаточно квалифицированной рабочей силы, обеспечение доверия общественности к ядерной энергетике и обеспечение ядерного нераспространения и ядерной безопасности.
Ядерная энергия используется путем расщепления (деления) или слияния (слияния) ядер двух или более атомов.
Ядерное деление обычно использует уран в процессе использования энергии. При наших нынешних темпах потребления урана, обнаруженного в земной коре, хватит нам примерно на столетие. Однако исследователи предсказывают, что потребление энергии утроится в следующем столетии, а это означает, что доступных ресурсов урана нам хватит примерно на 30 лет. Одним из вариантов является переработка отработавшего топлива. Это отработавшее топливо богато плутонием, и в сочетании с остатками урана его можно переработать в смесь, известную как МОХ-топливо, которую можно использовать в качестве топлива. Это может помочь растянуть имеющиеся запасы урана еще на несколько десятилетий. Самым большим недостатком этого источника энергии является захоронение радиоактивных отходов и высокая стоимость строительства атомных электростанций.
Ядерное деление, с другой стороны, могло бы стать ответом на наши энергетические проблемы. В делении используются изотопы водорода, литий и бор. Запасов лития из земли в сочетании с запасами из моря может хватить нам более чем на 60 миллионов лет.
Дейтерий, изотоп водорода, может существовать еще 250 миллионов лет. Однако процесс использования энергии этого изотопа довольно сложен и все еще находится в зачаточном состоянии. Если мы сможем успешно научиться использовать ядерный синтез для производства энергии жизнеспособным образом, он вполне может стать новым королем энергетического мира. Ядерный синтез — это чистый процесс с низким уровнем выбросов углекислого газа, а радиоактивные отходы также имеют относительно короткий период полураспада.
Энергия ветра
Ветряные электростанции предназначены для использования механической энергии ветра и преобразования ее в электрическую энергию. Затем эти ветряные электростанции подключаются к сетям передачи электроэнергии для распределения мощности. В среднем можно использовать только от 20 до 40 процентов общей мощности ветряной электростанции.
Ограничивающим фактором в использовании энергии ветра является то, что скорость ветра непостоянна, и в большинстве случаев энергию ветра можно эффективно использовать только при очень высокой скорости ветра и постоянных сильных ветрах.
Обычно они возникают на больших высотах. Энергия ветра также требует больших открытых пространств земли для строительства ветряных электростанций.
В 2008 году мировая мощность ветроэнергетики составляла 121,2 ГВт. В среднем на ветроэнергетику в настоящее время приходится лишь 1,5% мировых мощностей по выработке электроэнергии. Однако за трехлетний период 2005–2008 гг. этот сектор вырос вдвое. Ветроэнергетика составляет 19 % от общего объема производства электроэнергии в Дании, 10 % в Португалии и Испании и 7 % в Ирландии и Германии.
Биотопливо и биомасса
Сюда входит топливо из растительных и животных источников. Нефть или этанол, полученные из таких растений, как сахарный тростник, просо, водоросли, тополь и кукуруза, можно использовать непосредственно или в смеси с другими видами топлива, такими как коммерческое дизельное топливо и бензин, для получения энергии. Даже растительный материал, такой как сухостой, листья, щепа и ветки, можно сжигать для получения энергии.
Это обычно классифицируется как биомасса. Биомасса также включает любые биоразлагаемые отходы растительного и животного происхождения, которые можно сжигать в качестве топлива.
Ограничивающим фактором в использовании биотоплива является то, что необходимо выращивать большое количество сельскохозяйственных культур, чтобы собрать энергию, заключенную в растениях. Для этого нужны огромные площади плодородных земель. Кроме того, не все растительные источники обеспечивают высокую урожайность. Проводятся эксперименты по гибридизации и генетическому изменению этих культур, чтобы сделать их более устойчивыми и повысить урожайность. Биотопливо очень перспективно для мелкомасштабного использования, поскольку оно имеет низкий уровень выбросов парниковых газов, представляет собой эффективную систему управления отходами и производит мало загрязнителей воздуха.
С развитием новых технологий и появлением нового понимания нашего окружения ученые смогли придумать еще более авантюрные варианты питания.
К ним относятся топливные элементы, геотермальная энергия, энергия приливов и волн и многие другие.
Топливные элементы
Топливные элементы аналогичны батареям, но используют реагенты из внешнего источника, в отличие от автономных батарей. Если уровни топлива и окислителя в топливных элементах поддерживаются должным образом, энергия может вырабатываться почти непрерывно. Эффективность топливных элементов пропорциональна мощности, извлекаемой из них. Кроме того, они легкие и чрезвычайно надежные.
Геотермальная энергия
Недра Земли содержат много тепла. Мелководье содержит горячую воду, камни и пар. Глубже внутри магма очень горячая. Это тепло может быть использовано для производства электроэнергии и различных приложений. Использование геотермальной энергии не требует топлива и минимальной площади земли. Это относительно дешевый и очень устойчивый источник энергии, поскольку количество тепла, содержащегося в земном ложе, настолько велико, что даже если мы используем больше энергии, чем нам требуется, ее все равно хватит на миллионы лет вперед.
Океан Энерджи
Океаны огромны и содержат огромное количество энергии в потоках воды, а также в температурных и соленых градиентах. Энергию приливов и отливов можно использовать для производства электроэнергии. Различия температур, возникающие на разных глубинах, можно использовать для приведения в действие тепловых двигателей, которые, в свою очередь, производят электроэнергию.
Разница осмотического давления между соленой и пресной водой также может быть использована для выработки электроэнергии. Хотя большинство этих методов все еще находится на экспериментальной стадии, при правильном изучении они могут стать прорывом для человечества. Океаны вполне могут утолить нашу жажду энергии и стать королем топлива.
Энергия антивещества :
Одной из самых сложных теорий производства энергии является идея использования материи и антиматерии для производства электроэнергии. Антиматерия противоположна материи.
Если материя состоит из частиц, то антиматерия состоит из античастиц.
Ученые предполагают, что если материя и антиматерия столкнутся, они уничтожат друг друга и высвободят огромное количество энергии. Тем не менее, это все еще теоретический источник энергии. Существует ли антиматерия в какой-то части Вселенной и может ли она каким-то образом использоваться, до сих пор остается загадкой для человечества.
Существуют различные способы извлечения энергии из земли, которые человечество открыло и использовало в своих интересах. По мере развития человечества мы будем постоянно искать новые, более эффективные формы энергии, оказывающие наименьшее воздействие на окружающую среду. На сегодняшний день наиболее экономически эффективным топливом оказалась нефть.
В будущем, когда мировые запасы нефти будут исчерпаны, мы будем использовать другой источник энергии; возможно тот, что упомянут выше. Однако в том-то и дело, что мы должны быть активными в исследовании новых форм энергии, чтобы продолжить развитие цивилизации и обеспечить привычное для всех высокое качество жизни.
7 видов возобновляемой энергии: будущее энергетики
Что такое возобновляемая энергия?
Возобновляемая энергия — это энергия, полученная из природных ресурсов Земли, которые не являются исчерпаемыми или неисчерпаемыми, таких как ветер и солнечный свет. Возобновляемая энергия — это альтернатива традиционной энергии, основанной на ископаемом топливе, и она, как правило, гораздо менее вредна для окружающей среды.
7 Виды возобновляемой энергии
Солнечная энергия
Солнечная энергия получается путем улавливания лучистой энергии солнечного света и преобразования ее в тепло, электричество или горячую воду. Фотоэлектрические (PV) системы могут преобразовывать прямой солнечный свет в электричество за счет использования солнечных элементов.
Преимущества
Одним из преимуществ солнечной энергии является то, что солнечный свет функционально бесконечен .
Благодаря технологии его сбора существует безграничный запас солнечной энергии, а это означает, что ископаемое топливо может стать устаревшим. Использование солнечной энергии, а не ископаемого топлива, также помогает нам улучшить здоровье населения и состояние окружающей среды. В долгосрочной перспективе солнечная энергия также может снизить затраты на электроэнергию, а в краткосрочной перспективе — сократить ваши счета за электроэнергию. Многие федеральные местные, государственные и федеральные правительства также стимулируют инвестиции в солнечную энергию, предоставляя скидки или налоговые льготы.
Текущие ограничения
Хотя солнечная энергия сэкономит вам деньги в долгосрочной перспективе, она, как правило, требует значительных первоначальных затрат и нереалистична для большинства домохозяйств. Для личных домов домовладельцам также необходимо иметь достаточно солнечного света и места для размещения своих солнечных батарей, что ограничивает тех, кто может реально внедрить эту технологию на индивидуальном уровне.
Ветер
Ветряные электростанции улавливают энергию ветра, используя турбины и преобразуя ее в электричество. Существует несколько форм систем, используемых для преобразования энергии ветра, и каждая из них различается. Ветроэнергетические системы коммерческого класса могут снабжать энергией множество различных организаций, в то время как одиночные ветряные турбины используются для дополнения уже существующих энергетических организаций. Другой формой являются ветряные электростанции коммунального масштаба, которые приобретаются по контракту или оптом. Технически энергия ветра является формой солнечной энергии. Явление, которое мы называем «ветер», вызвано разницей температур в атмосфере в сочетании с вращением Земли и географией планеты. [1]
источник
Преимущества
Энергия ветра является чистым источником энергии, что означает, что он не загрязняет воздух, как другие виды энергии. Энергия ветра не производит углекислого газа и не выделяет никаких вредных продуктов, которые могут вызвать ухудшение состояния окружающей среды или негативно повлиять на здоровье человека, таких как смог, кислотные дожди или другие удерживающие тепло газы.
[2] Инвестиции в технологии ветроэнергетики также могут открыть новые возможности для трудоустройства и профессионального обучения, поскольку турбины на фермах необходимо обслуживать и обслуживать, чтобы они продолжали работать.
Ограничения по току
Поскольку ветряные электростанции, как правило, строятся в сельской или отдаленной местности, они обычно находятся вдали от шумных городов, где больше всего требуется электричество. Энергия ветра должна транспортироваться по переходным линиям, что приводит к более высоким затратам. Хотя ветряные турбины производят очень мало загрязнений, некоторые города выступают против них, поскольку они доминируют над горизонтом и создают шум. Ветряные турбины также угрожают местной дикой природе, например, птицам, которых иногда убивают, ударяя по лопастям турбины во время полета.
Гидроэлектростанции
Плотины — это то, что люди больше всего ассоциируют, когда речь идет о гидроэлектростанциях.
Вода проходит через турбины плотины для производства электроэнергии, известной как гидроаккумулирующая электроэнергия. Русловая гидроэнергетика использует канал для направления воды, а не пропускает ее через плотину.
Почтовый индекс
Преимущества
Гидроэлектроэнергия очень универсальна и может быть получена с использованием как крупномасштабных проектов, таких как плотина Гувера, так и небольших проектов, таких как подводные турбины и более низкие плотины на небольших реках и ручьях. Гидроэлектроэнергия не загрязняет окружающую среду и, следовательно, является гораздо более экологически чистым вариантом энергии для нашей окружающей среды.
Текущие ограничения
Большинство гидроэлектростанций США потребляют больше энергии, чем они могут произвести для потребления. В системах хранения может потребоваться использование ископаемого топлива для перекачивания воды.[3] Хотя гидроэнергетика не загрязняет воздух, она разрушает водные пути и негативно влияет на обитающих в них животных, изменяя уровень воды, течения и пути миграции многих рыб и других пресноводных экосистем.
Геотермальная
Геотермальное тепло — это тепло, оставшееся под земной корой в результате образования Земли 4,5 миллиарда лет назад и в результате радиоактивного распада. Иногда большое количество этого тепла уходит естественным путем, но сразу, что приводит к знакомым явлениям, таким как извержения вулканов и гейзеры. Это тепло может быть уловлено и использовано для производства геотермальной энергии с использованием пара, который поступает из нагретой воды, перекачиваемой под поверхность, которая затем поднимается наверх и может использоваться для работы турбины.
Преимущества
Геотермальная энергия не так распространена, как другие виды возобновляемых источников энергии, но она имеет значительный потенциал для энергоснабжения. Поскольку его можно построить под землей, он оставляет очень мало следов на земле. Геотермальная энергия пополняется естественным образом и поэтому не подвержена риску истощения (в масштабах человеческого времени).
Текущие ограничения
Стоимость играет важную роль, когда речь идет о недостатках геотермальной энергии. Мало того, что строительство инфраструктуры обходится дорого, еще одной серьезной проблемой является ее уязвимость к землетрясениям в некоторых регионах мира.
Океан
Океан может производить два вида энергии: тепловую и механическую. Тепловая энергия океана зависит от температуры поверхности теплой воды для выработки энергии с помощью различных систем. Механическая энергия океана использует приливы и отливы для выработки энергии, которая создается вращением Земли и гравитацией Луны.
Преимущества
В отличие от других форм возобновляемых источников энергии, энергии волн предсказуем, и легко оценить количество энергии, которое будет произведено. Вместо того, чтобы полагаться на различные факторы, такие как солнце и ветер, энергия волн гораздо более постоянна.
Этот тип возобновляемой энергии также широко распространен, наиболее густонаселенные города, как правило, расположены вблизи океанов и гаваней, что упрощает использование этой энергии для местного населения. Потенциал волновой энергии представляет собой поразительный еще неиспользованный энергетический ресурс с расчетной способностью производить 2640 ТВтч в год. Всего 1 ТВт-ч энергии в год может питать около 9В среднем в США 3850 домов с электричеством ежегодно, что примерно вдвое превышает количество домов, существующих в США в настоящее время.
Текущие ограничения
Те, кто живет рядом с океаном, безусловно, получают выгоду от энергии волн, но те, кто живет в штатах, не имеющих выхода к морю, не будут иметь прямого доступа к этой энергии. Еще одним недостатком энергии океана является то, что она может нарушить многие хрупкие экосистемы океана. Хотя это очень чистый источник энергии, поблизости необходимо построить крупное оборудование, чтобы помочь улавливать энергию этой формы, что может привести к нарушениям на дне океана и морской жизни, которая его населяет.
Другим фактором, который следует учитывать, является погода: когда наступает ненастная погода, она меняет консистенцию волн, тем самым производя меньшую выходную мощность по сравнению с обычными волнами без штормовой погоды.
Водород
Водород должен быть объединен с другими элементами, такими как кислород, для получения воды, так как он не встречается в природе в виде газа сам по себе. Когда водород отделяют от другого элемента, его можно использовать как в качестве топлива, так и в качестве электричества.
Преимущества
Водород можно использовать в качестве экологически чистого топлива, что снижает уровень загрязнения и делает окружающую среду чище. Его также можно использовать для топливных элементов, которые аналогичны батареям и могут использоваться для питания электродвигателя.
Текущие ограничения
Поскольку для производства водорода требуется энергия, он неэффективен, когда речь идет о предотвращении загрязнения.
Биомасса
Биоэнергия – это возобновляемая энергия, полученная из биомассы . Биомасса – это органическое вещество, полученное из недавно живших растений и организмов. Использование дров в вашем камине — это пример биомассы, с которой знакомо большинство людей.
Существуют различные методы получения энергии за счет использования биомассы. Это можно сделать путем сжигания биомассы или использования газообразного метана, который образуется при естественном разложении органических материалов в прудах или даже на свалках.
Преимущества
Использование биомассы в производстве энергии создает двуокись углерода, которая выбрасывается в воздух, но регенерация растений потребляет такое же количество двуокиси углерода, что, как говорят, создает сбалансированную атмосферу. Биомасса может использоваться по-разному в нашей повседневной жизни, не только в личных целях, но и в бизнесе. В 2017 году энергия из биомассы составляла около 5% от общей энергии, используемой в США.
Эта энергия поступала из древесины, биотоплива, такого как этанол, и энергии, получаемой из метана, улавливаемого на свалках, или путем сжигания бытовых отходов. (5)
Текущие ограничения
Хотя новым растениям для роста необходим углекислый газ, растениям требуется время для роста. У нас также пока нет широко распространенной технологии, которая могла бы использовать биомассу вместо ископаемого топлива.
источник
Возобновляемая энергия: что вы можете сделать?
Как потребитель у вас есть несколько возможностей повлиять на улучшение состояния окружающей среды, выбрав более экологически чистое энергетическое решение. Если вы домовладелец, у вас есть возможность установить солнечные батареи в своем доме. Солнечные панели не только снижают ваши затраты на электроэнергию, но и помогают повысить уровень жизни за счет более безопасного и более экологически чистая энергия выбор, который не зависит от ресурсов, наносящих вред окружающей среде.