Что такое возобновляемые источники энергии

Введение

Вся современная мировая экономика зависит от богатств, накопленных еще во времена динозавров: нефти, газа, угля и прочих видов ископаемого топлива. Большинство действий в нашей жизни: от поездки в метро до подогревания чайника на кухне, в конечном итоге, требуют сжигания этого доисторического наследства. Основная проблема в том, что эти легкодоступные энергетические ресурсы не возобновляются. Рано или поздно человечество выкачает из земных недр всю нефть, сожжет весь газ и выкопает весь уголь. На чем тогда будем греть чайники?

Не стоит также забывать и об отрицательном экологическом воздействии сжигания топлива. Увеличение содержания парниковых газов в атмосфере приводит к увеличению средней температуры на всей планете. Продукты сгорания топлива загрязняют воздух. Жители крупных городов особенно хорошо на себе это чувствуют.

Все мы задумываемся о будущем, пусть даже это будущее наступит не при нас. Мировое сообщество уже давно осознало ограниченность запасов ископаемого топлива. И отрицательное воздействие их использования на экологию. Ведущие государства уже сейчас внедряют программы постепенного перехода на экологически чистые и возобновляемые источники энергии.

По всему миру человечество ищет и постепенно внедряет замену ископаемому топливу. Уже давно во всем мире работают солнечные, ветряные, приливные, геотермальные и гидроэлектростанции. Казалось бы, что мешает прямо сейчас обеспечить с их помощью все потребности человечества?

На самом деле у альтернативной энергетики много проблем. Например, проблема географического распределения энергетических ресурсов. Ветряные электростанции строятся только в районах, где часто дуют сильные ветра, солнечные – где минимальное количество пасмурных дней, гидроэлектростанции – на крупных реках. Нефть, конечно, тоже есть не везде, но ее доставить проще.

Вторая проблема альтернативной энергетики – нестабильность. На ветряных электростанциях выработка зависит от ветра, который постоянно меняет скорость или вообще затихает. Солнечные электростанции плохо работают в пасмурную погоду и вообще не работают ночью.

Ни ветер, ни Солнце не учитывают нужды потребителей энергии. В тоже время выработка энергии тепло- или атомной электростанции постоянна и легко регулируется. Решить данную проблему может только строительство огромных хранилищ энергии, для создания резерва на случай низкой выработки. Однако это очень сильно удорожает всю систему.

Из-за этих и многих других сложностей замедляется развитие альтернативной энергетики в мире. Сжигать ископаемое топливо по-прежнему проще и дешевле.

Однако если в масштабах мировой экономики альтернативные источники энергии и не дают большой выгоды, то в рамках отдельного дома они могут быть весьма привлекательны. Уже сейчас многие ощущают на себе постоянное увеличение тарифов на электроэнергию, тепло и газ. С каждым годом энергетические компании все глубже залазят в карман обычных людей.

Эксперты международного венчурного фонда I2BF представили первый обзор рынка возобновляемой энергетики. По их прогнозам, через 5–10 лет технологии альтернативной энергетики станут конкурентоспособнее и получат массовое распространение. Уже в настоящее время разрыв в стоимости альтернативной и традиционной энергии быстро сокращается (www.active-house.ru).

Под стоимостью энергии подразумевается цена, которую хочет получить производитель альтернативной энергии, чтобы за время жизни проекта компенсировать свои капитальные расходы и обеспечить доходность в 10% на вложенный капитал. В эту цену также будет включена стоимость долгового финансирования, так как большинствовлечением серьезного рычага заемных средств.

Приведенный график иллюстрирует оценку различных видов альтернативной и традиционной энергетики во II квартале 2011 г. (рис. 1).

По приведенным цифрам самой низкой стоимостью из всех видов альтернативной энергетики обладает геотермальная энергия, а также энергия, образующаяся при сжигании мусора и свалочного газа. По сути, они уже могут напрямую конкурировать с традиционной энергетикой, но лимитирующим фактором для них служит ограниченное количество мест, где можно реализовать эти проекты.

Для тех, кто хочет получить независимость от капризов энергетиков, кто хочет внести свой вклад в развитие альтернативной энергетики, кто просто хочет немного сэкономить на энергии, и написана эта книга.

Из книги В. Германович, А. Турилин «Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы».

Продолжение читайте здесь

Возобновляемые источники энергии

Население Земливоды

Гидроэлектростанции

Энергию воды используют на протяжении многих веков. Вода вращала водяные колеса, использовавшиеся для разных целей. В наши дни построены огромные плотины и водохранилища, и вода применяется для выработки электроэнергии. Течение реки вращает колеса турбин, превращая энергию воды в электроэнергию. Турбина связана с генератором, который вырабатывает электроэнергию.

Энергия ветра

Энергия ветра используется человеком уже не первое тысячелетие. Ветер надувал паруса и вращал мельницы. Для использования энергии ветра создавались самые разнообразные устройства, предназначенные для выработки электроэнергии и для других целей. Ветер вращает лопасти ветряка, приводящие в действие вал турбины, связанной с электрогенератором.

Атомная энергия

атомовуранэлементживые организмыатмосферу

Аварии ядерных реакторов и выбросы радиоактивных веществ в атмосферу представляют собой большую опасность. Авария на ядерной электростанции в Чернобыле (Украина), случившаяся в 1986 г., повлекла за собой гибель многих людей и заражение огромной территории. Радиоактивные отходы угрожают всему живому в течение тысячелетий. Обычно их хоронят ни дне морей, но нередки и случаи захоронения отходов глубоко под землей.

Другие возобновляемые источники энергии

В будущем люди смогут использовать множество различных естественных источников энергии. Например, в вулканических районах разрабатывается технология использования геотермальной энергии (тепла земных недр). Другим источником энергии является биогаз, образующийся при гниении отходов. Он может применяться для отопления жилищ и нагревания воды. Уже созданы приливные электростанции. Поперек устьев рек (эстуариев) нередко возводят плотины. Особые турбины, приводимые в действие приливами и отливами, вырабатывают электроэнергию.

Как сделать ротор Савония:

Ротор Савония представляет собой механизм, применяемый крестьянами в Азии и Африке для подачи воды при ирригации. Чтобы самим сделать ротор, вам потребуются несколько чертежных кнопок, большая пластмассовая бутылка, крышка, две прокладки, стержень длиной 1 м и толщиной 5 мм и два металлических кольца.

Как это сделать:

1. Чтобы сделать лопасти, обрежьте бутылку сверху и разрежьте ее пополам вдоль.

2. С помощью чертежных кнопок прикрепите половинки бутылки к крышке

Соблюдайте осторожность при обращении с кнопками

3. Приклейте прокладки к крышке и воткните в нее стержень.

4. Приверните кольца к деревянному основанию и поставьте ваш ротор на ветру. Вставьте стержень в кольца и проверьте вращение ротора. Выбрав оптимальное положение половины бутылки, приклейте их к крышке прочным водоотталкивающим клеем.

КПД геотермальной электростанции

На самом деле, нельзя сказать, что геоТЭС очень эффективны, так как их КПД составляет всего 7-10 процентов. Это очень мало в сравнении с объектами, на которых энергия извлекается из сгорающего топлива. Именно поэтому нельзя просто выкопать яму, засунуть в нее трубу и пойти отдыхать. Система должна быть высокоэффективной и использовать несколько циклов для большей производительности, иначе полученной энергии не хватит даже на работу насосов, используемых для доставки жидкости на поверхность.

Ключевым фактором успеха геотермальных электростанций, в сравнении с ветряными и солнечными, является их постоянство. Они способны работать 24/7 с одинаковой интенсивностью, затрачивая на работу меньше энергии, чем производится на выходе. Дополнительным плюсом является возможность получения тепла, используемого для отопления домов и объектов в ближайшей зоне. И для всего этого не надо сжигать дорогое топливо.

Неиссякаемый источник

Очень не хочется (но все-таки придется) повторять старую добрую, тысячи раз цитировавшуюся мысль Дмитрия Ивановича Менделеева о том, что сжигать нефть (добавлю: и газ) все равно, что топить печку ассигнациями. Сказано бесконечно правильно. Ископаемые углеводороды богатейшее сырье, заветный клад, оставленный нам природой, и лучше производить из него массу полезных вещей, чем уничтожать в двигателях внутреннего сгорания.

Однако дело даже не в двигателях. Дело, прежде всего, в нашем здоровье. Загрязнение воздуха в результате сжигания ископаемых топлив влечет за собой рост легочных заболеваний. Урон, наносимый человеческому здоровью на планете только продуктами горения, оценивается суммой 4 миллиарда долларов в год. А еще дело, конечно, в том, что запасы нефти, газа, а также угля и горючих сланцев при всей их колоссальности конечны. Они относятся к невозобновляемым энергоресурсам. Еще сто, двести, триста лет, и они все равно закончатся, и нашим потомкам останется только проклинать нас, сетуя на нерадивость и недальновидность предков.

Между тем человечество так устроено, что просто не может не потреблять энергию, причем в возрастающих масштабах. Нам всем нужно готовить пищу, передвигаться с места на место и обогревать жилища, не говоря уже о том, что должны крутиться колеса заводов, производящих массу предметов, без которых мы уже не мыслим нашего существования.

За двадцатый век использование энергии на планете выросло примерно в 15 раз, а численность населения мира увеличилась в 3,75 раза. Следовательно, потребление энергии на душу населения поднялось в 4 раза. Оно будет подниматься и далее ничего не поделаешь, таковы законы роста, и население мира тоже будет увеличиваться, пока не стабилизируется лет через тридцать-сорок на уровне 12-14 миллиардов человек. Нас будет, по меньшей мере, вдвое больше, чем сейчас, а энергии в расчете на каждого будет потребляться, скорее всего, более чем вдвое. Но ведь на этом жизнь на Земле не закончится: там, впереди, ждут своей очереди новые, неисчислимые поколения. Все очень просто: жизнь бесконечна, а привычные нам энергетические ресурсы конечны, и из этого положения надо как-то выходить.

К счастью, у человечества есть практически неиссякаемый источник энергии. Это Солнце. Только нам еще надо научиться им пользоваться. Наше светило поставляет Земле колоссальную мощность примерно 1017 ватт, это более чем в 100 тысяч раз превышает сегодняшний уровень  потребления электроэнергии. За двадцать дней Земля получает в виде солнечного излучения столько же энергии, сколько ее хранится во всех запасах ископаемого топлива на планете. Прав был Циолковский, когда говорил о возможности проживания на планете колоссального количества людей Солнце, если разумно использовать его энергию, действительно могло бы прокормить не одно, не два, а десятки и сотни современных человечеств.

В сущности, уголь, нефть и природный газ тоже энергия Солнца, только овеществленная и невозобновляемая. А есть энергия возобновляемая. И надежды на жизнь в двадцать первом и всех последующих веках связаны именно с ней с солнечной энергией в «чистом» и преобразованном виде, а также энергией земных недр и термоядерных реакций. (Для тех, кто не очень разбирается в преобразованиях энергии, поясню: энергия ветра, рек, океанских волн, морских течений, биомассы, перепал температур между поверхностью океана и его глубинами это все энергия нашего Солнца, только в разных «упаковках».)

Появление орбитальных гелиостанций, потоками микроволнового излучения сильно осложнивших приземельскую астронавигацию, вынудило поднять орбиты постоянных и обитаемых спутников почти до уровня стационарных… К тому же нижние горизонты были сильно захламлены старыми, отслужившими свой век спутниками, носителями и их частями…Андрей Баяабуха.«Нептуном Арфа»

Альтернативные источники энергии для частного дома

«Зелёная энергетика» давно привлекала человека своими огромными перспективами. Мы можем получать совершенно бесплатно неиссякаемую энергию из окружающей среды для обслуживания независимых частных коммуникаций. При этом её запас постоянно восполняется без нашего участия.

Альтернативные источники энергии уже являются реальностью в России, особенно для бытового потребления. Некоторые из них:

1. Выработка электрической энергии, с марта по сентябрь, период наивысшей солнечной активности: солнечные батареи — понятие «солнечная батарея» включает в себя и фотомодуль (для образования электричества), и коллектор (для выработки тепловой энергии).

2. Выработка электрической энергии через электромеханические источники, в период с сентября по март: ветрогенераторы.

3. Отопление и подогрев воды — на основе тепловых насосов (термодинамические источники).

4. Получение тепловой энергии — биоэнергетические источники, переработка отбросов (источник с очень сложными технологическими и техническими требованиями).

Узнайте также, что такое Экосистема.

Применение в современной России

Солнечная электростанция на Урале

Ведущую роль в энергосистеме России играют нефть и газ, обеспечивающие 75% потребления страны. Еще 15% дает уголь, только 10% – ВИЭ и атомная энергетика. Высокая степень обеспеченности энергоресурсами делает отрасль маловосприимчивой к изменению текущего баланса. России располагает значительными запасами как возобновляемых, так и невозобновляемых ресурсов.

Из возобновляемых источников две трети – гидроэнергетика. Остальные виды в незначительных масштабах представлены в разных регионах страны:

ВИЭ подразделяется на группы – традиционные и нетрадиционные источники

В первую группу входит:

• гидравлическая энергия воды, которая преобразуется в электрическую энергию. Каждая энергетическая станция вырабатывает ее посредством действия гидросилового оборудования, устанавливаемого на ней;
• энергия биомассы, получаемая в ходе сжигания древесного угля, дров, торфа. Она применяется в основном для выработки тепла, подаваемого в отопительную систему жилых и нежилых зданий;
• геотермальная энергия, являющаяся результатом естественного гниения и поглощения минералами, находящимися в недрах земли, солнечной энергии. В сущности, солнце есть неисчерпаемый источник энергии. Его тепловое излучение преобразовывается в электрическую энергию с применением фотоэлементов, тепловых машин.

Вторая группа состоит из энергии, которая существует в природе, окружающей человека:

• солнечной;
• ветровой;
• морских волн и течений;
• приливов и отливов океана;
• биотоплива;
• низкопотенциальной тепловой.

Принцип использования возобновимой энергии заключается в ее извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде геологических процессов. Она предоставляется потребителю, который использует ее для решения технических задач и удовлетворения своих нужд.

Методы сбора энергетических ресурсов Земли

Сегодня есть три основных метода сбора геотермальной энергии: сухой пар, горячая вода и бинарный цикл. Процесс с сухим паром прямо вращает привода турбин генераторов электроэнергии. Горячая вода поступает снизу вверх, затем распыляется в бак, чтобы создать пар для привода турбин. Эти два метода являются наиболее распространенными, генерируя сотни мегаватт электроэнергии в США, Исландии, Европе, России и других странах. Но расположение ограничено, так как эти заводы работают только в тектонических регионах, где легче получить доступ к подогретой воде.

При технологии бинарного цикла извлекается на поверхность теплая (не обязательно горячая) вода и объединяют её с бутаном или пентаном, который имеет низкую температуру кипения. Эта жидкость перекачивается через теплообменник, где  испаряется и направляется через турбину перед рециркуляцией обратно в систему. Технологии бинарного цикла дает  десятки мегаватт электроэнергии в США: Калифорнии, Неваде и на Гавайских островах.

Принцип получения энергии

Недостатки получения геотермальной энергии

На уровне полезности, геотермальные электростанции являются дорогостоящими, чтобы построить и работать. Для поиска подходящего места требуется дорогостоящее обследование скважин без гарантии попадания в продуктивную подземную горячую точку. Тем не менее, аналитики ожидают увеличения этой мощности почти вдвое в течение следующих шести лет.

Кроме того районы с высокой температурой подземного источника находятся в районах с активными геологохимическими вулканами. Эти «горячие точки» образовались на границах тектонических плит в местах, где кора достаточно тонкая. Тихоокеанский регион, часто называют как кольцо огня для многих вулканов, где  есть много горячих точек, в том числе на Аляске, Калифорнии и Орегоне. Невада имеет сотни горячих точек, охватывающих большую часть северной части США.

Есть и другие  сейсмически активные районы. Землетрясения и движение магмы позволяют воде циркулировать. В некоторых местах вода  поднимается к поверхности и  природные горячие источники и гейзеры происходят, такие, как на Камчатке. Вода в гейзерах Камчатки достигает  95° C.

Одна из проблем открытой системы гейзеров является выделение некоторых загрязнителей воздуха. Сульфид водорода — токсичный газ с очень узнаваемым запахом «тухлого яйца» — небольшое количество мышьяка и минералов, выпущенных с паром. Соль также может представлять экологическую проблему.

На геотермальных электростанциях расположенных в море значительное количество мешающей соли накапливается в трубах. В замкнутых системах нет выбросов и возвращается вся жидкость доведенная до поверхности.

Экономический потенциал энергоресурса

Сейсмически активные точки не являются единственными местами, где можно найти геотермальную энергию. Существует постоянный запас полезного тепла для целей прямого нагрева  на глубине везде от 4 метров до нескольких километров ниже поверхности практически в любом месте на земле. Даже земля на собственном заднем дворе или в местной школе имеет экономический потенциал в виде тепла, чтобы выдавать  в дом или другие здания.

Кроме того существует огромное количество тепловой энергии в сухих скальных образованиях очень глубоко под поверхностью (4 – 10 км).

Использование новой технологии может  расширить геотермальные системы, где люди смогут использовать это тепло для производства электроэнергии в гораздо большем масштабе, чем обычные технологии. Первые демонстрационные проекты этого принципа  получения  электричества показаны  в Соединенных Штатах и Австралии еще в 2013 году.

Если полный экономический потенциал геотермальных ресурсов может  быть реализован, то это будет представлять огромный источник электроэнергии для  производственных мощностей. Ученые предполагают, что обычные геотермальные источники имеют потенциал 38 000 МВт, который может производить 380 млн МВт электроэнергии в год.

Горячие сухие породы залегают на глубинах от 5 до 8 км везде под землей и на меньшей глубине в определенных местах. Доступ к этим ресурсам предполагает введение холодной воды, циркулирующей через горячие скальные породы и отвода нагретой воды. В настоящее время нет коммерческого применения этой технологии. Существующие технологии пока не позволяют восстанавливать тепловую энергию непосредственно из магмы, очень глубоко, но это самый мощный ресурс геотермальной энергии.

С комбинацией энергоресурсов и ее последовательности, геотермальная энергия может играть незаменимую роль как более чистая, более устойчивая энергетическая система.

Солнечный свет

Пожалуй, самый известный, нашумевший в СМИ источник альтернативной энергии. Самое громкое его потребление было в 1958 году, тогда американцы впервые пустили в ход солнечные батареи на своих спутниках. Сегодня же мы часто видим их, они стали для нас привычным легко узнаваемым явлением.

Энергия солнечного света

Принцип извлечения прост. Батарея состоит из панели которая имеет две сложенные вместе пластинки из кремния. первую пластину покрывают бором, а вторую фосфором. Слой покрытый фосфором, имеет свободные электроны, в то время когда в слое покрытым бором – электроны отсутствуют. Под воздействием лучей, электроны начинают движение частиц, и между ними возникает электрический ток. Затем с помощью мелких медных проводников, ток накапливают в батареях.

Также существуют термальные электростанции, в которых сконцентрированными лучами нагревали воду до кипения, а затем потребляли. Но у этого метода слишком мал коэффициент полезного действия, вследствие чего он не используется.

Самая большая солнечная электростанция в Мохаве

Позитивной цепью является:

• легко доступности почти на всех континентах и уголках земного шара
• дешевизна обслуживания
• бесшумность
• простота монтажа
• легкость в использовании

Негативная сторона:

• малый коэффициент эффективности, сейчас это не превышает 30-40%
• высокая стоимость батарей
• большая площадь для установки

Прелести силы воды

Не многие люди придают способу добычи электрической энергии из силы течений воды особого внимания, однако, это не совсем правильно! Сила течений, а также их постоянство дает гарантию того, что энергия будет добываться постоянно, и без перебоев.

Да, в наше время воду можно считать классическим источником энергии, но, это только если учитывать большие гидроэлектростанции

Если же акцентировать внимание на более мелких проявления, строительство которых не будет занимать большого количества времени, не требовать огромных человеческих ресурсов, и не будет приводить к смертям людей еще в процессе строительства гидроэлектростанции, то мы получим довольно интересные и локальные источники питания

Первым таким проявление, по праву, можно считать мельницы, которые работали возле реки. Силой воды вращался механизм, который перемалывал зерно, после чего человек уже получал муку и хлеб. Почему на этом все остановилось? Увы, неизвестно.

Солнечное излучение – лучшая альтернатива топливу?

Говорить о том, насколько солнечное излучение идет впереди остальных источников питания еще рано. Вся проблема в том, что данный нескончаемый источник питания требует больших умственных и научных вложений от человечества. Причиной тому стало большое количество техники, которая необходима для переработки большого количества солнечной энергии.

Основной проблемой переработки солнечных лучшей является именно техника. Что именно? Для обеспечения электричеством даже обыкновенного частного дома, в котором работают несколько несчастных бытовых приборов, типа холодильника, телевизора и стиральной машины, нужно усеять солнечными панелями всю крышу этого здания.

Однако, это единственное решение проблемы долгой зарядки электрокаров. Именно наличие солнечной батареи на крыше автомобиля может решить эту задачу. Представьте, что вы едете по городу, открываете солнечные панели, чтобы они впитывали энергию, и без проблем заряжаете аккумуляторы. Круто же!

Ветер, ветер, ты могуч!

Самым действенным способом, который помогает обеспечить электричеством именно жилые и нежилые постройки. Во многих странах Европы они начинают набирать большую популярность. Учитывая то, что развитие отрасли началось в далеких 70-х годах 20-го века, то технологии достигли уже запредельного уровня.

Увы, то, что в нашей стране они начали появляться около 10-15 лет назад, то хорошо, что мы уже видим хоть какие-то сдвиги в отрасли энергии ветра, как неисчерпаемого ресурса.

Ученые по всему миру работают над тем, каким образом увеличить восприятие ветра лопастями, и максимизировать получаемую от вращения энергию.

Почему к неисчерпаемым источникам энергии относится энергия ветра? Ведь он непостоянный, и может быть редкостью для определенных районов нашей планеты.

Причина в том, что он, банально, не может перестать существовать. Основной проблемой остается его географическое наличие, или наоборот отсутствие, в тех или иных частях земного шара. Выходом может стать изобретение мобильных ветряных электростанций, которые смогут добывать электричество на ходу.

Берегите энергию, и пользуйтесь ей правильно!