Виды возобновляемой энергии

Введение

С самого начала полномасштабной военной агрессии РФ в Украине объекты энергетической инфраструктуры нашей страны были и остаются одними из главных целей для вражеской армии. Сначала это были нефтеперерабатывающие заводы, хранилища нефтепродуктов, электростанции и подстанции, питающие железную дорогу, а сейчас объекты критической энергетики.

Регулярное и целенаправленное разрушение энергетической инфраструктуры Украины повлекло за собой аварийные и стабилизационные отключения электроэнергии, отключение уличного освещения, ограничение движения метро и троллейбусов и потребления энергии промышленными предприятиями.

Война в Украине также сильно повлияла и на мировые энергетические рынки, привела к нестабильности цен, дефициту поставок, проблемам с безопасностью и экономической неопределенности – всего того, что Международное энергетическое агентство (МЭА) уже называло «первым действительно глобальным энергетическим кризисом».

Все эти события заставили ряд стран сосредоточиться на вопросах энергетической безопасности и формировании надежного и разнообразного энергетического баланса, неотъемлемой частью которого является возобновляемая энергетика.

Возобновляемая энергия – это энергия, полученная из природных источников, которая пополняется с большей скоростью, чем потребляется. Такая энергия не может иссякнуть в отличие от ископаемых видов топлива (угля, нефти и газа), которые являются невозобновляемыми ресурсами, на формирование которых тратятся сотни миллионов лет, а при их сжигании образуются вредные выбросы парниковых газов.

Производство возобновляемой энергии создает гораздо меньше выбросов, поэтому переход от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии считается ключом к преодолению климатического кризиса.

Кроме того, применение возобновляемой энергии может помочь снизить стоимость электроэнергии, внести вклад в отказоустойчивую электрическую сеть, создать рабочие места и стимулировать экономический рост, генерировать резервную энергию на время отключения в сочетании с ее хранением, а также работать с одинаковой эффективностью как в малых, так и больших масштабах.

Возобновляемые источники энергии многочисленны и окружают нас повсюду. В настоящее время наиболее популярными возобновляемыми среди них являются:

— солнечная энергия;

— энергия ветра;

— гидроэнергетика;

— энергия приливов;

— геотермальная энергия;

— энергия биомассы.

Солнечная энергия

Солнечная энергия – это один из известнейших видов возобновляемой энергии, а солнечный свет – один из самых распространенных и доступных энергетических ресурсов нашей планеты. В отличие от невозобновляемых источников энергии, доступ к солнечному свету есть в каждой стране и может обеспечивать тепло, охлаждение, естественное освещение, электричество и отопление.

Сегодня человечество применяет солнечные лучи по-разному. Это может быть пассивное использование солнечной энергии, что предполагает ориентацию здания по солнцу или выбор материалов с благоприятными свойствами тепловой массы и рассеивания света. Или активные солнечные технологии с использованием солнечных коллекторов для отопления или превращением солнечного света в электричество.

Есть два основных типа технологий солнечной энергии – фотоэлектрическая (PV) и концентрированная солнечно-тепловая энергия (CSP).

Первая (PV) превращает солнечный свет в электрическую энергию через фотоэлектрические панели, поглощающие энергию солнечного света. А вторая (CSP) – использует зеркала, концентрирующие солнечное излучение и превращающие солнечную энергию в тепло, которое затем можно использовать для производства электроэнергии или хранить в батареях или термоаккумуляторах. CSP используется преимущественно на очень больших электростанциях.

Указанные технологии могут питать что угодно, от самого маленького садового светильника до целых кварталов. И хотя и не все страны в равной степени обеспечены солнечной энергией, существенный вклад в энергетический баланс прямой солнечной энергии возможен для каждой страны.

Поэтому следующей задачей должна стать интеграция систем солнечной энергии в дома, предприятия и существующие электрические сети вместе с традиционными и другими видами возобновляемых источников энергии.

Энергия ветра

Ветер – известный и богатый источник чистой энергии. Но на самом деле энергия ветра является побочным продуктом Солнца. Неравномерный нагрев атмосферы солнцем, неровные поверхности земли (горы и долины), а также вращение планеты вокруг солнца – все это создает ветер. Днем воздух над сушей нагревается быстрее, чем над водой. Теплый воздух над землей расширяется и поднимается вверх, а более тяжелый и холодный воздух занимает его место, создавая ветер. Ночью ветры меняются на противоположные, потому что воздух охлаждается над сушей скорее, чем над водой.

Так же атмосферные ветры, вращающиеся вокруг Земли, образуются из-за того, что Земля у земного экватора более горячая, чем земля у Северного и Южного полюсов. Поскольку ветра на нашей планете достаточно, он считается устойчивым источником возобновляемой энергии, который будет существовать до тех пор, пока солнечные лучи нагревают планету.

Энергия ветра использует кинетическую энергию движущегося воздуха с помощью больших ветряных турбин, расположенных на суше или же в морской или пресной воде. Энергия ветра вращает лопасти ветряных турбин, а турбины превращают кинетическую энергию лопастей в электрическую энергию, запуская электрогенератор. Впоследствии производимое электричество превращается в более высокое напряжение и подается в национальную сеть.

Несмотря на то, что средняя скорость ветра в разных местах отличается, в большинстве регионов мира все же существует достаточный потенциал для значительного развертывания ветровой энергетики.

Лучшими местами для ветряных электростанций являются районы с сильными и постоянными ветрами, в том числе прибрежные и высокогорные районы, а также вершины холмов или открытые поля и равнины.

Сегодня береговые и морские ветряные электростанции становятся все более привычным явлением в разных странах мира, а энергия ветра вносит все больший вклад в их национальную энергосистему. Ведущими производителями возобновляемой ветровой электроэнергии считаются США, Канада, Великобритания и Китай.

Гидроэнергетика

Гидроэнергетика – это сфера возобновляемой энергетики, использующая энергию воды. Она работает аналогично ветровой энергии, поскольку использует естественный поток воды для вращения лопастей турбины генератора, производящего электроэнергию.

Электроэнергия производится за счет использования плотины или другой водозаборной конструкции для изменения природного течения реки или другого водоема и создания контролируемого водного потока, вращающего лопасти турбины. Технологии гидроэнергетики используют перепад высот, создаваемый плотиной или другим барьером, когда вода втекает с одной стороны и вытекает гораздо ниже с другой. На гидроэлектростанциях вода течет по трубе или водоводу, затем толкается и вращает лопасти в турбине, чтобы раскрутить генератор для производства электроэнергии.

Существуют русловые гидроэлектростанции, в которых сила течения реки оказывает давление на турбину и гидроаккумулирующие системы, где вода скапливается в резервуарах, созданных плотинами на ручьях и реках, и выпускается через гидротурбины по мере необходимости выработки электроэнергии.

Гидроэнергетические сооружения бывают разных размеров. Некоторые из них могут быть очень большими, но они могут быть и крошечными, без плотин, с отводами или русловыми сооружениями, направляющими часть потока через электростанцию, после чего вода снова вливается в основную реку.

Поскольку гидроэнергетика использует воду для выработки электроэнергии, станции обычно размещаются на источнике воды или рядом с ним.

В настоящее время гидроэнергетика является крупнейшим источником возобновляемой энергии в электроэнергетике, основанным на стабильных режимах выпадения осадков. При этом инфраструктура, необходимая для создания гидроэлектростанций, может оказывать неблагоприятное воздействие на экосистемы. Так, большие плотины изменяют течение природных источников воды, что отрицательно сказывается на популяции животных и людей, ограничивая их доступ к воде. Однако считается, что при тщательном управлении малые гидроэлектростанции (менее 40 МВт), отводящие лишь часть водного потока, не оказывают катастрофического влияния на местную окружающую среду и являются более экологичными.

Крупнейшим производителем гидроэлектроэнергии в мире на сегодняшний день является Китай, имеющий более 45 000 малых гидроустановок.

Приливная энергия

Приливная или морская энергия – это еще одна форма гидроэнергетики, которая дважды в день использует приливные течения для турбогенераторов. Она включает энергию волн, мощность морских течений и приливов, образуемые за счет кинетической энергии движущихся больших водных масс.

Морская энергия также может быть использована за счет разности температур в воде путем процесса, известного как превращение тепловой энергии океана.

Хотя приливной поток, в отличие от некоторых других источников гидроэнергии, не постоянен, он хорошо предсказуем и поэтому может компенсировать периоды, когда приливное течение низкое.

Энергия приливов и волн все еще находится в стадии разработки и изучения, но теоретический потенциал энергии океана превышает нынешние потребности человека в энергии, что делает использование его силы чрезвычайно привлекательным. Океаны обладают огромным количеством энергии и находятся вблизи многих, а то и наиболее концентрированных популяций, поэтому энергия океана может обеспечить значительное количество новой возобновляемой энергии по всему миру.

Однако некоторые подходы с использованием приливной энергии могут нанести вред дикой природе, например, приливные плотины или плотины, расположенные в океанском заливе или лагуне. Такие конструкции образуют приливно-отливной бассейн, а шлюзы на дамбе контролируют уровень воды и скорость потока, позволяя приливному бассейну наполняться во время притока и опорожняться через систему электрических турбин во время отлива. Такие заграждения могут изменить уровень приливов в бассейне и увеличить мутность воды, нанести вред растениям и животным в эстуариях приливного бассейна и отрицательно повлиять на навигацию и отдых.

В настоящее время в мире действует несколько крупных приливных энергетических заграждений: наиболее мощная приточная электростанция расположена на озере Сихва в Южной Корее, старейшая и вторая по величине приточная электростанция находится в Ла-Рансе во Франции, а третьей по величине является приливная электростанция в Аннаполис-Ройяле в Канаде. Некоторые страны имеют приливные электростанции меньшего размера.

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия – это тепло внутри земли. Известно, что ядро планеты Земля примерно такое же горячее, как поверхность Солнца. Это тепло создается медленным распадом радиоактивных частиц в горных породах в земном ядре и используется человечеством с древнейших времен. Так, геотермальное отопление с помощью воды из горячих источников применяли для купания еще при палеолите, а для обогрева помещений – со времен Древнего Рима.

Сегодня бурение глубоких скважин позволяет вывести на поверхность земли пар или очень горячую подземную воду, которые можно использовать в качестве гидротермального ресурса для вращения турбин и выработки электроэнергии.

Существует три основных типа геотермальных электростанций.

Сухие паровые установки, использующие пар непосредственно из геотермального резервуара для вращения турбин генератора.

Парогенераторы мгновенного испарения закачивают горячую воду из недр земли под высоким давлением в резервуар на поверхности, где давление намного ниже, в результате чего часть жидкости быстро испаряется, превращаясь в пар. Затем пар приводит в действие турбину генератора, а оставшаяся вода и сконденсированный пар закачиваются обратно в землю.

Электростанции бинарного цикла, передающие тепло от геотермальной горячей воды другой жидкости. Тепло заставляет другую жидкость превращаться в пар, используемый для привода турбины генератора.

Сегодня наиболее распространенным типом геотермальных электростанций являются паровые установки мгновенного испарения.

Получившуюся геотермальную энергию можно использовать для непосредственного обогрева зданий, горячего водоснабжения или производства электроэнергии.

Геотермальная энергия считается практически неисчерпаемой и теоретически достаточной для удовлетворения потребностей энергии всего человечества. При этом в настоящее время успешно эксплуатируется лишь очень небольшая часть геотермальных ресурсов Земли, преимущественно в районах, расположенных вблизи границ тектонических плит. Это обусловлено тем, что доступность геотермальной энергии тесно связана с географическим положением, хотя развитие электростанций с бинарным циклом и совершенствование технологий бурения и добычи позволили уже совершенствовать геотермальные системы в значительно более широком географическом диапазоне.

Наиболее распространено хозяйственное применение геотермальных источников в Исландии, Новой Зеландии, Италии, Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае и Японии.

Энергия биомассы

Биомасса – это возобновляемый органический материал, получаемый из растений и животных. Биомасса чаще всего включает отходы растениеводства, деревообработки, пищевой промышленности, остатки леса и древесину, микроводоросли, биогенные материалы в бумаге, хлопчатобумажных и шерстяных изделиях, а также навоз животных и сточные воды человека. Она производит энергию, превращая все эти сельскохозяйственные, промышленные и бытовые отходы в твердое, жидкое и газообразное топливо.

Электричество посредством биомассы получают путем сжигания органических веществ. В результате такого сжигания химическая энергия выделяется в виде тепла и может генерировать электричество при помощи паровой турбины. Однако при производстве биоэнергии выделяется углекислый газ и создаются выбросы парниковых газов. Последние исследования доказывают, что многие формы биомассы, особенно из лесов, производят более высокие выбросы углерода, чем ископаемое топливо. Тем не менее, некоторые формы энергии биомассы, при определенных обстоятельствах, могут являться низкоуглеродистым вариантом. Например, опилки и щепы из лесопильных заводов, которые иначе бы быстро разлагались и выделяли углерод, а в виде биомассы они могут быть источником энергии с низким содержанием углерода. И все же, учитывая потенциальное негативное влияние на окружающую среду, биоэнергию следует использовать только в ограниченных целях.

На сегодняшний день биомасса продолжает оставаться важным топливом во многих странах. В развивающихся странах она преимущественно используется для приготовления пищи, освещения и отопления, а в развитых странах – применяется в виде топлива для транспорта.

Итоги

В будущем ожидается, что количество возобновляемых источников энергии будет расти, поскольку в мире наблюдается рост спроса на электроэнергию.

Системы возобновляемой энергии быстро становятся более дешевыми и эффективными, а их доля в общем потреблении энергии стабильно увеличивается, при этом большинство новых установленных во всем мире электрических мощностей приходится именно на возобновляемые источники. В большинстве стран фотогальваническая солнечная энергия или береговой ветер является самой дешевой электроэнергией в новостройках.

Внедрение возобновляемых источников энергии и технологий энергоэффективности обеспечивает значительную энергетическую безопасность и смягчение последствий изменения климата.

В мире также насчитывается более 10 миллионов рабочих мест, связанных с отраслями возобновляемой энергетики, при этом солнечная фотоэнергетика является крупнейшим работодателем в сфере возобновляемых источников энергии.

Многие страны уже используют возобновляемые источники энергии, на которые приходится более 20% их общего энергоснабжения, а некоторые из них производят более половины своей электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии.

Согласно прогнозам, национальные рынки возобновляемых источников энергии будут продолжать активно расти в 2020-х годах и далее. Сегодня возобновляемые источники энергии составляют 26% мировой электроэнергии и, согласно данным Международного энергетического агентства (МЭА), ожидается, что к 2024 году их доля достигнет 30%.

Исследования показали, что глобальный переход на 100% возобновляемых источников энергии во всех секторах – электроэнергетике, теплоснабжении, транспорте и опреснении – осуществим и экономически оправдан. Ведь возобновляемые энергетические ресурсы существуют на обширных географических территориях и, в отличие от ископаемых видов топлива, сосредоточенных в ограниченном количестве стран, имеют практически безграничный потенциал.