Что такое альтернативные источники энергии: виды, выгода и перспективы развития

Введение

комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. При их сооружении также наносится вред окружающей среде: перегораживаются реки, меняется их русло, затопляются долины рек. Важнейшая особенность гидротехнических ресурсов в сравнении с топливно-энергетическими — их непрерывная возобновляемость. ГЭС могут приводить к наводнениям близь лежащих территорий.Рис 1. Ириклинская ГЭСТЭС- вырабатывают электроэнергию в результате преобразования тепловой энергии, которая выделяется при сжигании органического топлива (угля, нефти, газа). Невосполнимость этих природных ресурсов заставляет задуматься о рациональном их применении и замене более дешевыми способами получения электроэнергии

Кроме истощения этих ресурсов важной проблемой является высокая загрезняемость. Рис 2. Прегольская ТЭСАЭС-электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия используется для получения электрической

Генератором энергии здесь является атомный реактор. Тепло, выделяемое в нем в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжелых элементов, преобразуется в электроэнергию. АЭС работают на ядерном горючем (уран, плутоний и др.), мировые запасы которого значительно превышают запасы органического топлива. Недостатками являются отходы, которые очень сложно утилизировать. Рис 3. Ростовская АЭСАльтернативные источники энергии – это источники энергии чьи ресурсы не исчерпаем или восполняемы. Альтернативными источниками энергетики являются геотермальные электростанции (ГеоЭС), электростанции, использующие энергию ветра (ВЭ), солнца (СЭ) и приливов и отливов (ПЭС).Сейчас происходит активный переход на альтернативные источники энергии по причине больших объемов загрязнения и причинения вреда окружающей среде от традиционных источников энергии, из-за опасности истощения полезных ископаемых, таких как нефть, газ и уголь, из-за обеспокоенности мира и общественности за природу и климат, из-за людей жить в чистом мире

Прегольская ТЭСАЭС-электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия используется для получения электрической. Генератором энергии здесь является атомный реактор. Тепло, выделяемое в нем в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжелых элементов, преобразуется в электроэнергию. АЭС работают на ядерном горючем (уран, плутоний и др.), мировые запасы которого значительно превышают запасы органического топлива. Недостатками являются отходы, которые очень сложно утилизировать. Рис 3. Ростовская АЭСАльтернативные источники энергии – это источники энергии чьи ресурсы не исчерпаем или восполняемы. Альтернативными источниками энергетики являются геотермальные электростанции (ГеоЭС), электростанции, использующие энергию ветра (ВЭ), солнца (СЭ) и приливов и отливов (ПЭС).Сейчас происходит активный переход на альтернативные источники энергии по причине больших объемов загрязнения и причинения вреда окружающей среде от традиционных источников энергии, из-за опасности истощения полезных ископаемых, таких как нефть, газ и уголь, из-за обеспокоенности мира и общественности за природу и климат, из-за людей жить в чистом мире .

Энергия воды

Энергия воды остаётся незаменимой. Раньше она применялась на простых мельницах и кораблях, а сейчас огромные турбинные ГЭС поставляют электричество в целых регионах. Последние разработки предлагают человечеству познакомиться с фантастическим будущим, которое будет построено на новейших источниках. Какие альтернативы уже используются странами?

• Приливные электростанции;
• Волновые электростанции;
• Микро и мини ГЭС;
• Аэро ГЭС.

Аэро ГЭС – новейшая технология, которая пока ещё проходит проверку. Она основана на конденсации влаги из атмосферы. Действующие установки пока остаются призрачной мечтой, но есть определённые показатели, подтверждающие целесообразность вложения денежных средств в разработки.

Основные проблемы альтернативной энергетики

Отсутствие государственной поддержки

Главная проблема использования альтернативных источников энергии – дотационность. К примеру, внедрение новых технологий в странах с прохладным климатом и недостаточным количеством солнечного света потребует значительных финансовых затрат. Без серьезной государственной поддержки использование альтернативной энергетики будет убыточным и бессмысленным. Значительных затрат потребует не только производство, но и транспортировка энергии.

Альтернативная энергетика не подходит для промышленного производства

Энергия, получаемая из природных источников, нуждается в «страховочном» дублировании другими типами электростанций. Это связано с тем, что ее производство зависит от времени суток, погодных условий и прочих факторов. К сожалению, в большинстве стран альтернативная энергетика способна выполнять функцию дополнительного источника, но заменить собой традиционную энергию она пока что не может.

Зависимость от погодных условий

Непостоянство природных явлений – это еще одна серьезная проблема альтернативных источников энергии. Солнце может в любой момент скрыться за тучами, ветер утихнуть, а высота приливов уменьшиться. Установив на крыше дома солнечные батареи, его владелец отдается на милость природы: если в течение нескольких дней будет солнечная погода – в доме будут работать все электроприборы. Но если погода будет пасмурной – жителям дома придется приготовиться к отсутствию самых необходимых благ цивилизации. Даже если до этого были накоплены избыточные запасы энергии – в период простоя электростанций они иссякнут.

Низкий КПД

Низкий уровень выработки энергии природными источниками пока что не позволяет превратить их в основной источник питания. К примеру, для обеспечения жилого дома электричеством в объеме 200-300 Вт площадь солнечных батарей должна составлять не менее 20 м².

Длительный процесс оформления документов

Людям, желающим открыть частную электростанцию, придется столкнуться с необходимостью в получении большого количества бумаг и разрешений. Перед началом выполнения работ по установке электростанции в обязательном порядке надо получить разрешение местных властей на постройку, согласие соседей и пр. Также необходимо ознакомиться с перечнем условий и требований к техническим характеристикам строящихся объектов. Если этого не сделать – владельцу электростанции придется отвечать в суде.

Шумная работа электростанций

Шумная работа характерна не для всех видов альтернативных источников энергии, но игнорировать наличие этого фактора нельзя. При работе ветряных электростанций сила шумового эффекта достигает 34-45 дБ на расстоянии 20 метров. Непрерывный шум будет неприятен как владельцу дома, так и его соседям. Еще один минус альтернативных источников энергии – неприятный запах. Он характерен для биомассовой энергетики, основанной на разложении отмерших растений, навоза и др. Решить проблему неприятного запаха не поможет даже использование герметичных контейнеров.

Высокая стоимость оборудования и обслуживания

Производство оборудования для электростанций – это сложный и трудоемкий процесс, требующий значительных финансовых вложений. Высокая стоимость солнечных батарей обусловлена тем, что в их состав входит фотоэлемент, разработанный на основе кремния. Кремний должен пройти предварительное очищение и преобразование, а это обходится производителям недешево. Так же дела обстоят и с другими источниками энергии, основанной на использовании природных ресурсов.

Основные виды альтернативных источников энергии

За последнее время практически перепробовано немало нетрадиционных вариантов получения энергии. Статистика утверждает, что речь пока идет о тысячных долях процента от потенциально возможного использования.

Типичными сложностями, с которыми неизбежно сталкивается на своем пути развитие альтернативных источников энергии, являются полные пробелы в законах большинства стран, касающихся эксплуатации природных ресурсов, как достояния государства. С отсутствием юридической проработки тесно связана проблема неизбежного налогообложения альтернативной энергетики.

Рассмотрим получившие наибольшее распространение 10 альтернативных источников энергии.

Ветер

Энергия ветра использовалась человеком всегда. Уровень развития современных технологий позволяет сделать ее практически бесперебойной.

Электричество при этом вырабатывается с помощью ветряков, похожих на мельницы, специальных устройств. Винт ветряка посредством вращающихся лопастей сообщает кинетическую энергию ветра генератору, производящему ток.

Подобные ветряные станции особенно распространены в Китае, Индии, США, странах Западной Европы. Несомненным лидером этой области считается Дания, являющаяся, кстати, пионером ветроэнергетики: первые установки появились здесь еще в конце XIX века. Дания закрывает этим способом до 25% всей потребности в электроэнергии.

Китай только при помощи ветрогенераторов сумел в конце XX века обеспечить электричеством горные и пустынные районы.

Использование энергии ветра является, пожалуй, наиболее передовым способом энергодобычи. Это идеальный вариант синтеза, в котором соединяются альтернативная энергетика и экология. Многие развитые страны мира постоянно увеличивают долю электроэнергии, полученной этим способом, в своем общем энергобалансе.

Солнце

Попытки использования солнечного излучения для получения энергии также давно предпринимались, на данный момент – это один из самых перспективных путей развития альтернативной энергетики. Сам факт того, что солнце во многих широтах планеты светит круглогодично, передавая на Землю в десятки тысяч раз больше энергии, чем потребляется всем человечеством за год, вдохновляет на активное использование солнечных станций.

Большинство самых крупных станций находятся в США, всего же гелиоэнергетика распространена почти в сотне стран. За основу взяты фотоэлементы (преобразователи солнечного излучения), которые объединяются в масштабные солнечные батареи.

https://youtube.com/watch?v=pp_iwDbobms

Тепло Земли

Тепло земных глубин преобразуется в энергию и применяется для человеческих нужд во многих странах мира. Тепловая энергетика очень эффективна в районах вулканической активности, местах, где много гейзеров.

Лидерами этой области являются Исландия (столица страны Рейкьявик полностью обеспечивается геотермальной энергией), Филиппины (доля в общем балансе – 20%), Мексика (4%), США (1%).

Ограничение по использованию этого вида источника связано с невозможностью транспортировки геотермальной энергии на расстояния (типичный локальный источник энергии).

В России пока действует одна подобная станция (мощность – 11 МВт) на Камчатке. Ведется строительство новой станции там же (мощность – 200 МВт).

В число десяти наиболее перспективных источников энергии в недалеком будущем входят:

• солнечные станции с базированием в космосе (основной недостаток проекта – гигантские финансовые затраты);
• мускульная сила человека (востребованность, прежде всего – микроэлектроникой);
• энергетический потенциал приливов и отливов (недостаток – высокая стоимость строительства, гигантские колебания мощности за сутки);
• топливные (водородные) контейнеры (необходимость строительства новых заправок, дороговизна машин, которые будут ими заправляться);
• быстрые ядерные реакторы (топливные стержни погружены в жидкий Na) – технология крайне перспективна (возможность повторного использования отработанных отходов);
• биотопливо – уже широко используется развивающимися странами (Индия, Китай), преимущества – возобновляемость, экологичность, недостаток – использование ресурсов, земли, предназначенной для производства сельскохозяйственных культур, выгула скота (удорожание, дефицит еды);
• атмосферное электричество (аккумулирование энергопотенциала молний), основной недостаток – мобильность атмосферных фронтов, скорость разрядов (сложность накопления).

Что с этим всем делать

Я считаю, что наши технологии в альтернативной энергетике еще не готовы к масштабной декарбонизации. Необходимо инвестировать прежде всего в развитие технологий, а не во внедрение существующих во всемирную энергосистему.

В связи с этим я вижу перспективу в атомной энергетике, потому что это один из самых чистых видов энергии, если не считать экстремальных случаев. По данным МЭА, рост использования атомной энергетики к 2040 году составит 28—62%, а по прогнозам BP к 2050 году он составит 42—164%. Разброс большой, так как часть стран, например Китай и Индия, сильно наращивают объемы выработки и вводят новые реакторы в эксплуатацию, а другие страны, например Япония, наоборот, снижают.

Еще большую перспективу я вижу в развитии газовых электростанций. Газ намного чище, чем уголь или нефть, плюс переход ТЭЦ с другого вида топлива на газ наиболее прост в практическом исполнении. Замена угольных мощностей на газовые дает снижение выбросов углекислого газа на 50—70%.

В нашей статье про альтернативную энергетику были представлены графики, по которым видно, что по прогнозам к 2040 году одним из основных источников энергии будет газ, а остальные чистые источники энергии в совокупности будут отставать.

С другой стороны, каждый из перечисленных источников альтернативной энергии очень перспективен в узконаправленных сегментах.

Например, биодизель отлично подойдет для сельскохозяйственной техники, биогаз — для отопления теплиц или помещений для содержания животных, а солнечные панели хороши для электромобилей: электроника в автомобиле работает от постоянного тока 12—24 вольт — КПД такой установки существенно повышается, потому что убираются несколько звеньев цепочки производства.

Источники энергии для дома: фото

Кол-во блоков: 22 | Общее кол-во символов: 24523 Количество использованных доноров: 4 Информация по каждому донору:

1. https://USamodelkina.ru/green-energy/: использовано 14 блоков из 15, кол-во символов 4416 (18%)
2. https://akbinfo.ru/alternativa/alternativnaja-jenergija-gotovye-reshenija-svoimi-rukami.html: использовано 1 блоков из 2, кол-во символов 10560 (43%)
3. https://220v.guru/vse-ob-elektroenergii/alternativnyy-istochnik-energii-dlya-chastnogo-doma.html: использовано 1 блоков из 4, кол-во символов 4210 (17%)
4. https://sad24.ru/postrojki/sobiraem-alternativnyj-istochnik-energii.html: использовано 6 блоков из 8, кол-во символов 5337 (22%)

Солнечные панели собственноручного изготовления

Готовая солнечная панель стоит немалых денег, поэтому ее покупка и установка по карману далеко не каждому. При самостоятельном изготовлении панели расходы можно снизить в 3-4 раза. Прежде чем приступить к устройству солнечной панели нужно разобраться, как все это работает.

Система солнечного электроснабжения: принцип работы

Понимание назначения каждого из элементов системы позволит представить ее работу в целом. Основные составляющие любой системы солнечного электроснабжения:

• Солнечная панель. Это комплекс соединенных в единое целое элементов, преобразующих солнечный свет в поток электронов. Их основная особенность состоит в том, что они не могут вырабатывать ток высокого напряжения. Отдельный элемент системы способен вырабатывать ток напряжением 0,5-0,55 В. Соответственно одна солнечная батарея способна вырабатывать ток напряжением 18-21 В, что достаточно для зарядки 12-вольтовой аккумуляторной батареи.
• Аккумуляторы. Одной батареи надолго не хватит, поэтому система может насчитывать до десятка таких устройств. Количество аккумуляторных батарей определяется мощностью потребляемой электроэнергии. Количество аккумуляторных батарей можно будет увеличить в будущем, добавив в систему необходимое количество солнечных панелей;
• Контроллер солнечного заряда. Это устройство необходимо для обеспечения нормальной зарядки аккумуляторной батареи. Основное его назначение состоит в недопущении повторной перезарядки батареи.
• Инвертор. Прибор, требующийся для преобразования тока. Аккумуляторные батареи выдают ток низкого напряжения, а инвертор преобразует его в ток необходимого для функционала высокого напряжения – выходная мощность. Для дома достаточно будет инвертора с выдаваемой мощностью 3-5 кВт.

Если инвертор, аккумуляторные батареи и контроллер заряда лучше приобрести готовыми, то солнечные батареи вполне возможно сделать самому.

Качественный контроллер и правильность подключения помогут как можно дольше сохранять работоспособность аккумуляторных батарей и автономность всей солнечной станции в целом

Отходы в доходы: биогазовые установки

Все альтернативные источники энергии имеют природное происхождение, но получать двойную выгоду можно только от биогазовых установок. В них перерабатываются отходы жизнедеятельности домашних животных и птицы. В результате получается некоторый объем газа, который после очищения и осушения можно использовать по прямому назначению. Оставшиеся переработанные отходы можно продать или использовать на полях для повышения урожайности — получается очень эффективное и безопасное удобрение.

Из навоза тоже можно получать энергию, только не в чистом виде, а в виде газа

Коротко о технологии

Образование газа происходит при брожении, и участвуют в этом бактерии, живущие в навозе. Для выработки биогаза подходят отходы любого скота и птицы, но оптимален навоз КРС. Его даже добавляют к остальным отходам для «закваски» — в нем содержатся именно нужные для переработки бактерии.

Для создания оптимальных условий необходима анаэробная среда — брожение должно проходить без доступа кислорода. Потому эффективные биореакторы — закрытые емкости. Чтобы процесс шел активнее, необходимо регулярное перемешивание массы. В промышленных установках для этого устанавливаются мешалки с электроприводами, в самодельных биогазовых установках это обычно механические устройства — от простейшей палки до механических мешалок, которые «работают» от силы рук.

Принципиальная схема биогазовых установок

В процессе образования газа из навоза участвуют два типа бактерий: мезофильные и термофильные. Мезофильные активны при температуре от +30°C до +40°C, термофильные — при +42°C до +53°C. Более эффективно работают термофильные бактерии. При идеальных условиях выработка газа с 1 литра полезной площади может достигать 4-4,5 литров газа. Но поддерживать в установке температуру в 50°C очень непросто и затратно, хотя затраты себя оправдывают.

Криоэнергетика

В основе криотехнологических процессов, нашедших применение в энергетических целях, лежит глубокое охлаждение воздуха до температуры в -196° С. В результате чего он превращается в жидкость, сохраняемую на протяжении нескольких недель. При необходимости жидкая смесь азота и кислорода (в результате процесса сжижения воздух распадается на составляющие его химические вещества) поступает на испаритель, пребывающий в условиях обычной атмосферной температуры. Гигантская разница температур приводит к резкому повышению давления образовавшихся газов, воздействующих на лопатки турбины, что вращает генератор, занятый выработкой электрического тока.

Именно таким способом аккумулируется избыточная энергия в энергосистемах. Практическое воплощение можно увидеть неподалёку от Хитроу – лондонского аэропорта, в промышленной зоне Слау.

КАЭС в СлауТехнологическая схема криогенной аккумулирующей станции в Слау

Помимо электрической энергии CES-станции (станции использующей все компоненты криогенного аккумулятора) способны производить технические газы и обеспечивать холодом предприятия пищевой, химической и металлургической отраслей промышленности. При этом КПД их достигает 83%! Интереснейший видеоматериал материал на тему размещён здесь:

Ученые изобрели новый способ хранения энергии

Гравитационная энергетика

Один из разделов альтернативной энергетики, предназначенный для аккумулирования излишков энергии. Осуществляется это за счёт подъёма массивных грузов на значительную высоту.

Компанией «Энергозапас» из новосибирского Академгородка в своё время была разработана технология ТАЭС. Твердотельной аккумулирующей станции, суть которой заключается в выработке энергии при опускании грузов под воздействием сил притяжения Земли, предварительно доставленных на несколько сотен метров высоты. Для удобства пользователей в их качестве употребляются местный грунт или зола. Продолжительность работы ТАЭС составляет 50 лет, а КПД составляет 80%.

Работающий прототип ТАЭС в Новосибирском Академгородке

Нечто подобное было реализовано и компанией Energy Vault, но уже на базе подъёмного крана с шестью стрелами и многотонными блоками.

Управляемый термоядерный синтез

Неверно утверждение, что к альтернативным источникам энергии относится ядерная энергетика. Зато процесс управляемого термоядерного синтеза, обещающий доступ к гигантскому количеству энергии, вполне мог бы стать одним из самых важных элементов нетрадиционной энергетики.

История его развития отсылает нас к 50-м годам XX-го столетия.  Временам, когда американский физик Л. Спитцер впервые заговорил о стеллаторах, а учёные из Советского Союза приступили к созданию серии токамаков. Эксперименты по удержанию плазмы посредством использования процессов магнитного и инерционного управляемого термоядерного синтеза продолжаются и по сегодняшний день. Но говорить об их практическом применении с целью промышленной выработки электроэнергии пока ещё рано.

Схема лазерного термоядерного синтеза

ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ — Что это?

Термоядерный синтез

Что такое альтернативные источники энергии

Альтернативные или нетрадиционные источники энергии представляют собой возобновляемые энергетические ресурсы. ГОСТ Р 54531-2011 даёт такое определение возобновляемым источникам энергии: «Источники энергии, образующиеся на основе постоянно существующих или периодически возникающих процессов в природе, а также жизненном цикле растительного и животного мира и жизнедеятельности человеческого общества». Они включают в себя:

• энергию солнца и ветра;
• внутреннее тепло Земли;
• энергию приливов и отливов, энергию морских течений, микроГЭС и мини-ГЭС;
• изготовление биотоплива;
• МГД-генераторы;
• производство традиционных невозобновляемых источников энергии (топлив) по нетрадиционным технологиям в виде переработки вторичных твёрдых бытовых отходов, использование выделяемого угольными разработками, отходами и свалками газа; изготовления синтетического жидкого топлива и водоугольного топлива;
• технические средства преобразования различных видов энергии в электричество и тепло;
• реакцию управляемого термоядерного синтеза.

Наиболее распространённые возобновляемые источники энергии

В отличие от невозобновляемых ресурсов, новые источники энергии, входящие в состав нетрадиционной энергетики, практически неисчерпаемы. К тому же они отличаются экологической безопасностью. Пока что альтернативные источники природных ресурсов не получили столь широкого распространения, как традиционные. Но процесс идёт и достаточно активно. Доля альтернативной энергетики в мире – возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мировом энергетическом балансе – на протяжении 2020-2021 годов составляла 28,1%, что несколько выше показателя 2019 года (26,3%), когда количество объектов ВИЭ возросло на 200 ГВт установленной мощности.

К альтернативным (возобновлямым) источникам энергии не относятся гидроэлектростанции традиционной гидроэнергетики, мощностью более 30 МВт. ГОСТ Р 54531-2011 «Нетрадиционные технологии. Возобновляемые и альтернативные источники энергии. Термины и определения». Указанный документ, разработанный Лабораторией возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ им. Ломоносова, на официальном государственном уровне даёт понятие всем основным терминам и определениям, применяемым к возобновляемым и альтернативным источникам энергии. Именно к нему и указанным в нём ссылкам на другие ГОСТы следует прибегать в случае каких-либо неясностей или противоречий.

Источники энергии Что такое гидроэнергетика: энергия падающей воды

1к.23.11.2022