Альтернативные источники энергии: проблемы внедрения

Энергия воды

Среди возобновляемых источников энергии в мире до сих пор популярной остается вода. Доля гидроэнергетики на 2014 г. составляла 16,4%. Если раньше воду использовали на простых мельницах, то сегодня это уже огромные турбинные ГЭС, обеспечивающие электричеством целые регионы. Кроме них, воду используют еще несколько электростанций.

• Приливные электростанции. Их мощность зависит от воздействия Луны, поэтому стабильность работы находится не на самом высоком уровне. На сегодня приливные электростанции уже работают в Южной Корее, США и многих других странах. В Великобритании в г. Суонси подобная электростанция генерирует более 400 ГВт энергии в год, обеспечивая тем самым 121 тыс. домов.
• Волновые электростанции. Располагаются на берегах океанов и работают за счет ударной силы регулярных волн о побережье. Волновая энергия по удельной мощности превосходит солнечную и ветровую. Самая большая в мире волновая электростанция работает в Великобритании – Wave Hub. Она расположена у полуострова Корнуэлла и оснащена четырьмя генераторами по 150 кВт.

От серого к синему, желтому и зеленому

Современные «серые» методы получения водорода отрабатывались десятилетиями. Тут даже вопроса не стоит о снижении выбросов углерода — дело в удобстве производства и энергоэффективности.

Как промежуточную меру перехода к безуглеродным способам получения водорода, предлагается дополнить «серый» водород технологией захвата и захоронения углерода (CCS). Такой водород называют «синим». Проблема в том, что технологии CCS совершенно не отработаны. Захваченный углерод предлагают закачивать под землю. Сейчас эти технологии в основном используются для добычи нефти: в обедневшую скважину закачивают СО2, чтобы увеличить добычу. Но, во-первых, «зеленая» энергетика должна увести человечество от постоянной добычи углеводородов, а не увеличить её. А во-вторых, потребности нефтяной промышленности просто не предполагают использование 500 млн тонн углерода.

Гораздо перспективней выглядит получение с помощью АЭС «жёлтого» водорода. Во-первых, в этом случае у нас под рукой есть и пар, и избыток электроэнергии. А во-вторых, электролиз Н2 не даст дополнительных выбросов СО2 в атмосферу. В США из-за понижения расценок на кВт/ч, выработанных с помощью ВИЭ, получение водорода на АЭС уже признано стратегией спасения этой отрасли энергетики. С 2019 года местное Минэнерго выделяет крупные гранты на эксперименты в этой области. 

В эту ядерно-водородную гонку потихоньку включаются все ядерные державы. Во Франции и Великобритании крупнейшие операторы и владельцы АЭС также рассматривают вопрос производства «жёлтого» водорода. В России Росатом планирует к 2030 году создать атомную электротехнологическую станцию (АЭТС) производства водорода. Так же в планах у компании создание целой сети ядерно-водородных комплексов на базе уже имеющихся АЭС. 

Однако наиболее перспективным считается использование возобновляемых источников для создания дешевого и действительно «зелёного» водорода. На это опираются большинство стратегий перехода к «безуглеродному миру». Насколько все серьезно, говорит проект с сооружением самого большого в мире завода по производству водорода в Саудовской Аравии на базе солнечной электростанции. И это только начало.

Энергетика биомассы

Существуют три способа получения тепла при применении биомассы: сжигание её продуктов, брожение биомассы, извлечение из неё спиртов и газов в виде энергоносителей.

Отрасль, называемая биоэнергетикой, специализируется на выработке энергии из биопродуктов. Подобный тип топлива получают в ходе переработки биологических отходов. На сегодняшний день уже насчитывается 3 поколения биотоплива, получаемого в твердом, жидком и газообразном состояниях. Среди них и жидкое топливо для автомобильных двигателей.

Завод по производству биодизельного топлива из растительного масла

Способ пиролиза биомассы позволяет вырабатывать из продуктов первого поколения уже более качественное топливо. В Германии планируют каждый пятый литр бензина получить методом пиролиза. О том, какова перспектива этого направления, может служить факт создания исследовательской организации, в которую вошли представители 15 стран Европы и Америки.

Ведутся большие работы по производству биотоплива третьего поколения, получаемого из искусственно выращенных водорослей.

Можно ли сделать своими руками в домашних условиях

При наличии свободного времени, желания, а также умения работать ручным инструментом, можно создать установки, с помощью которых использовать альтернативные источники для своих нужд, как в виде электрической, так и тепловой энергии.

Это касается всех выше перечисленных видов альтернативной энергетики, так для:

• Солнечных электростанций – можно самостоятельно изготовить солнечные батареи, используя фотоэлементы заводского производства, а также собрать контроллер заряда и инвертор, являющиеся элементами таких установок.
• Ветровых установок – также, как и для солнечных станций, электронные устройства (контроллер, инвертор) собираются достаточно просто с использованием существующих электрических схем и из элементов заводского производства. Самый важный элемент, ветрогенератор – можно изготовить из имеющихся запасных частей и материалов.
• Микро ГЭС – изготовить и смонтировать может каждый, если есть река или водоем, где можно соорудить плотину. Конструкция и вид гидротурбины, зависят от типа водоема и рельефа местности.
• Биогазовую установку – создать не составит труда любому сельскому жителю, условиями для этого будут – наличие необходимого количества биомассы и температура окружающего воздуха, позволяющая происходить процессу ее брожения.

Vestas Wind Systems A/S [OTC: VWDRY]

• Цена акции: $21.29
• Рыночная капитализация: 13,197 млрд
• Доходность с начала года: 0,02%
• Коэффициент P/E: 14,0779
• Прибыль на акцию: 4,6801
• Дивидендный доход: 2,19%

Vestas зарабатывает деньги для себя и своих акционеров за счёт энергии ветра. Компания продаёт ветряные турбины по всему миру и удерживает самую большую долю на этом рынке в мире. Кроме того, компания торгует полноценными электростанциями. Стабильность доходов и прибыли Vestas также обеспечивается обслуживанием собственной продукции.
Если вы хотите совершить инвестиции в альтернативную энергетику Vestas Wind Systems, знайте, что это далеко не новичок сектора – компания была основана в 1898 году. Нынешняя штаб-квартира находится в Дании. Предприятие также работает в Германии, США, Индии, Румынии, Китае, Швеции, Норвегии и Австралии. Количество сотрудников в компании превышает 21 000 человек.

7 место. Распределённая энергетика

Перед тем как рассматривать альтернативные источники энергетики, разберём одну интересную концепцию, которая в перспективе способна изменить структуру энергетической системы.

Сегодня электроэнергия производится на больших станциях, передаётся на распределительные сети и поступает в наши дома. Распределённый подход подразумевает постепенный отказ от централизованного производства электричества. Добиться этого можно посредством строительства небольших источников энергии в непосредственной близости к потребителю или группе потребителей.

В качестве источников энергии могут использоваться:

• микротурбинные электростанции;
• газотурбинные электростанции;
• паровые котлы;
• солнечные батареи;
• ветряки;
• тепловые насосы и пр.

Такие миниэлектростанции для дома будут подключены к общей сети. Туда будут поступать излишки энергии, а при необходимости электросеть сможет компенсировать недостаток питания, например, когда солнечные панели работают хуже из-за облачной погоды.

Однако реализация этой концепции сегодня и в ближайшем будущем маловероятна, если говорить о глобальных масштабах. Связанно это в первую очередь с большой дороговизной перехода от централизованной энергетики к распределённой.

WEO 2020 намечает четыре сценария развития событий

Их соответствующие характеристики кратко суммируются ниже:

COVID-19 будет взят под контроль в следующем году по «заявленному сценарию госполитики» (STEPS), и мировая экономика достигнет докризисного уровня.
«Сценарий замедленного восстановления» (DRS) предполагает, что воздействие пандемии будет продолжаться до 2023 года. Это привело бы к тому, что десятилетие показало бы самые низкие темпы роста спроса на энергию с 1930-х годов.
В-третьих, основное внимание в «сценарии устойчивого развития» (SDS) уделяется соблюдению Парижского соглашения к 2050 году.
И последнее, но не менее важное: новый план «Чистые нулевые выбросы к 2050 году» (NZE2050) даже превосходит SDS и описывает, какие изменения необходимы в ближайшие 10 лет для достижения этой цели.

На Рисунке 1 показана динамика выбросов CO₂ от энергопотребления и промышленности, а также различные рычаги сокращения для трех сценариев до 2030 года.

Энергетика и промышленные процессы CO2-выбросы и рычаги сокращения выбросов в сценариях WEO 2020, 2015-2030 гг.

Интересно, что WEO этого года больше не содержит «сценария текущей политики» (CPS), который обычно моделировал бизнес-как-обычно и не предполагал каких-либо дальнейших усилий в области климатической и энергетической политики в дополнение к существующим. МЭА утверждает, что сегодняшние обстоятельства не позволяют вести обычный бизнес.

Гидроэнергетика

К возобновляемым источникам энергии относятся широко распространенные гидроэлектростанции. На этих объектах используется потенциальная энергия водных потоков.

Традиционные гидроэлектростанции

Возводят гидроэлектростанции, как правило, на реках. Для создания необходимого давления воды создают мощные плотины и объемные хранилища воды. Как разновидность, используют бесплотинные ГЭС.

Данным объектам (ГЭС) гидроэнергетики присущи следующие особенности.

Положительные:

1. высокий КПД при сравнительно малых экономических затратах на строительство и дальнейшую эксплуатацию станции, отсюда низкая себестоимость электроэнергии;
2. отсутствуют вредные выбросы в атмосферу;
3. водохранилище как фактор, улучшающий микроклимат в районе ГЭС;
4. возможность разведения рыб;
5. предотвращает появление паводков, используется для орошения сельхозугодий, технического применения на заводах;
6. обладают механизмом регулирования потребления энергии.

Отрицательные:

1. водохранилища затопляют обширные территории, занимают земли, пригодные для сельского хозяйства;
2. перекрытие рек существенно меняет условия для обитания ценных видов проходных рыб, многие из которых исчезают из облюбованных ранее водоемов.

Гидроэлектростанции, как возобновляемые источники энергии, эффективны для поставки электроэнергии в горные участки. Они имеются в Швейцарии, на территории России. В мировом объеме поставляемой энергии доля гидроресурсов составляет около трех процентов. В Канаде, Исландии и Китае основную часть электроэнергии вырабатывают именно гидростанции.

Красноярская гидроэлектростанция

В России строительство гидроэлектростанций всегда считалось выгодным направлением. В наши дни гидростанции вырабатывают 6 процентов электроэнергии страны. Площади крупнейших водохранилищ ГЭС составляют тысячи квадратных километров. В пример можно привести размеры Самарского водохранилища, площадь которого превышает 6400 км2.

Приливные электростанции

Особой разновидностью гидроэнергетики являются приливные электростанции, работающие на основе использования энергии приливов и отливов. Они возводятся на побережьях, где под воздействием гравитационных сил Солнца и Луны ежедневно меняется уровень воды морских и речных водоемов. Залив или устье реки перегораживают дамбой. Встроенный в неё гидроагрегат с огромными лопастями и преобразует силу прибоя в электроэнергию.

Так устроена приливная гидроэлектростанция

Такая форма получения энергии из неисчерпаемого источника очень экологична, имеет малую себестоимость. Однако само строительство требует больших вложений. Кроме того, перепады в мощности не позволяют поставлять электроэнергию в постоянном режиме. Тем не менее, станции ПЭС ценят за высокую эффективность и малое влияние на экологию. Их строительство продолжается во многих странах.

Волновые электростанции

Энергия волн представляет собой огромный потенциал. Удельную мощность морских и океанских волновых колебаний оценивают гораздо выше солнечной и ветровой. Специалисты подсчитали, что мощность волн мирового океана равна примерно 30 процентам всей потребляемой электроэнергии на Земле.

Волновая гидроэлектростанция Oyster в Шотландской прибрежной зоне мощностью 600 кВт

Работа волновых электростанций построена на превращении потенциальной энергии волн в электрическую. Выбор места строительства подобных объектов получения электричества обусловлен особенностями региона, наличием крупных водоемов и сильных ветров.

Гидроэнергетика будущего

Гидроэнергетика не стоит на месте. Постоянно придумываются новые специфические виды использования силы мирового океана. К примеру, в данный момент разрабатываются технологии использования в энергетике морских течений и разницы температур на различных глубинах.

Океанские и морские течения (Куросио, Гольфстрима и т.п.) также обладают определенной энергетической силой, потенциал которой на практике пока не оценен. Но ученые и проектировщики считают возведение гидростанций, использующих энергию водных течений, перспективном направлением в морской энергетике. Согласно технологии, применяют специальные преобразователи в виде объемных и водяных насосов.

Роторная система Seagen, расположенная у побережья Ирландии, преобразует энергию течений в электроэнергию

Электроэнергию можно получать, используя разницу температур поверхности и глубинных слоев моря или океана. Разность на глубине 400 м и верхнего слоя воды составляет 12 градусов. В данный момент уже существуют экспериментальные системы преобразования разницы температур в электричество, основанные на пьезоэффекте.

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.

Как распределяются виды энергии в каждой системе

Различные виды энергии  используются в жилых и коммерческих зданиях, на транспорте, в промышленности и электроэнергетике. Электроэнергетическая система является крупнейшим потребителем первичной и используется для выработки электроэнергии. Почти вся электроэнергия используется в зданиях и промышленности. Общее количество электроэнергетической системы, используемой в жилых и коммерческих зданиях, промышленности и транспорте огромное.

Почти все ядерное топливо используется в электроэнергетической системе для выработки электроэнергии. Её доля в России составляет 18% от первичной энергии. Во Франции – 75%, Венгрии – 52% , Украине – 56%. В среднем в мире порядка 10%.

Смесь первичных источников широко варьируется в различных системах спроса. Энергетическая политика, призванная повлиять на использование конкретного основного источника с целью повлиять на  окружающую среду, экономическую или энергетическую безопасность сосредоточивается на системах, которые являются основными пользователями этого типа энергии. Например, 71% нефти используется в транспортной системе, где она потребляет  92% от общего объема первичного энергопотребления.

Политика по сокращению потребления нефти чаще всего относится к транспортной системе. Эта политика обычно стремится увеличить эффективность автомобильного топлива или поощрять развитие  альтернативных видов топлива.

Около 91% угля и только 1% из нефти, используется для выработки электроэнергии, что выявляет стратегию, влияющую на выработку электроэнергии, и имеет гораздо большее значение на использование угля, чем использование нефти.

Некоторые первичные виды энергии, такие как ядерная и угольная, полностью или преимущественно используются для добычи электричества. Другие, такие как природный газ и возобновляемые источники, более равномерно распределены по системам. Аналогичным образом сейчас транспорт почти полностью зависит от одного вида топлива (нефтяного).

Однако электроэнергетика с внедрением новых технологий больше использует различные источники энергии для выработки электричества. Например, идут практические реализации для получения электричества из биомассы.

Изменяется ли потребление топлива с течением времени

Источники потребляемой энергии с течением времени меняются, но изменения происходят медленно. Например, уголь когда-то широко использовался в качестве топлива для отопления домов и коммерческих зданий, однако конкретное использование угля для этих целей сократилось за последние полвека.

Хотя доля возобновляемого топлива от общего потребления первичной энергии еще относительно невелика, его использование растет во всех отраслях. Кроме того, использование природного газа в электроэнергетике возросло в последние годы из-за низких цен на природный газ, в то время как использование угля в этой системе сократилось.

Солнечная энергетика

Солнце является главным источником всех жизненных процессов на Земле, относится к альтернативным источникам. Его возобновляемая энергия может в неисчерпаемых количествах преобразовываться в электрическую или тепловую. Область науки и производства, которая занимается этим, называется солнечная энергетика (гелиоэнергетика).

Солнечные электростанции вырабатывают электроэнергию с помощью солнечных коллекторов, фотоэлектрических преобразователей. Крупнейшая фотоэлектрическая станция в штате Калифорния, США имеет мощность не менее 550 МВт:

С каждым годом возрастает количество станций. За последние 10 лет производство фотоэлектрических панелей увеличилось более чем в шесть раз.

Оборудование и конструкции станций просты в монтаже и удобны в обслуживании. Однако степень развития науки и техники на сегодняшний день не позволяют добиться экономически выгодной отдачи от их работы. К тому же установки занимают огромные площади, батареи стоят больших денег. Тем не менее, мировые инвестиции в развитие этого вида возобновляемой энергии достигли 26 млрд долларов в год.

Экология под вопросом

Однако, по мнению экспертов, не все ВИЭ одинаково экологически безопасны. Некоторые способны нанести ущерб экологии. В частности, речь идёт о гидроэлектростанциях (ГЭС). Согласно данным исследователей из Австралии и КНР, суммарная площадь земель, затопленных в результате ввода в эксплуатацию гидроэлектростанций, — 340 тыс. кв. км, что немногим меньше площади Германии. Соответствующие сведения учёные приводят в издании Trends in Ecology & Evolution.

Из-за ГЭС были разрушены многие пойменные экосистемы, что привело к снижению видового разнообразия. Впрочем, в последние годы гидроэнергетика уступает лидерство новым видам генерации: солнечной и ветроэнергетике. По прогнозам экспертов, их доля генерации сравняется с долей ГЭС к 2030 году.

Однако активное внедрение биотоплива, произведённого из древесины и сельскохозяйственных культур, способно обернуться неприятными последствиями. Кратное увеличение нагрузки на сельхозугодия может привести к сокращению производства продовольствия. Согласно подсчётам американских исследователей, уже сегодня расширение «топливных» посадок вызвало рост цен на продовольственное сырьё в США. Кроме того, чрезмерное увлечение биотопливом может привести к вырубке лесов. 

Также по теме

Вырубка лесов и CO2: учёные доказали вред биотоплива для окружающей среды

Европейские учёные пришли к выводу, что биотопливо может наносить серьёзный ущерб окружающей среде. В частности, исследователи…

В 2012 году Еврокомиссия пришла к выводу, что перевод земель под топливные плантации должен быть ограничен, а производители топлива из пищевых культур не должны пользоваться господдержкой.

В результате проведённого в прошлом году Евросоюзом исследования учёные выяснили, что пальмовое или соевое масло, из которого извлекают энергию, выделяет в атмосферу больше углекислого газа, чем любое ископаемое топливо.

«Предписанное ЕС дешёвое биотопливо на основе пищевых продуктов, в особенности растительных масел, таких как рапсовое, подсолнечное и пальмовое, — просто ужасная идея», — заявил директор исследовательской организации Transport & Environment Йос Дингс.

Неоднозначными, по мнению экспертов, являются и преимущества электромобилей как с экономической, так и с экологической точек зрения. При этом в ряде стран действуют меры правительственной поддержки этого вида транспорта.

• Электромобиль Tesla Model 3
• Reuters

Например, в Эстонии покупатель электрокара может рассчитывать на компенсацию 50% себестоимости машины, в Португалии на покупку электроавтомобиля выплачивается субсидия в 5000 евро. В России тоже задумываются о введении подобных дотаций.

Без господдержки такие автомобили не пользуются спросом: после того как власти Гонконга отменили налоговые льготы для покупателей электрокаров Tesla, продажи этих машин упали до нуля. Однако польза электрокаров для окружающей среды пока не очевидна. 

Есть ли будущее у альтернативных источников энергии

Альтернативные источники возобновляемой энергии достаточно интересное и перспективное направление. К примеру, существует несколько эффективных приёмом выработки воды из воздуха. Правда здесь необходимо использовать генератор. Будут ли найдены новые подходы к решению этих проблем и к усовершенствованию методик – покажет время.

Получится ли использовать ресурсы с умом – большой вопрос

Watch this video on YouTube

Предыдущая Инженерия️ Реле напряжения 220 В для дома: как правильно организовать защиту бытовой техники
Следующая Инженерия Нужно ли подавать данные по счетчикам воды в 2019 году: и что будет, если не сделать это вовремя?