Под выражением «возобновляемая энергия» либо регенеративная, то есть «зеленая энергия», подразумевается энергия источников, неисчерпаемая по человеческим меркам. В окружающей среде она представлена в широком спектре – солнечная, ветровая, водная, включая морские волны и течения, силы приливов и отливов океана, биомассы, геотермального тепла.
Возобновляемые природные ресурсы в жизни человека
В последние годы широкое развитие получила альтернативная энергетика. Она представлена самыми разнообразными видами ВИЭ, которые постоянно возобновляются.
Под формулировкой «возобновляемые источники энергии» подразумеваются определенные формы энергии, вырабатываемые в естественных условиях, за счет происходящих на поверхности Земли природных процессов.
Условно они делятся на классы – возобновляемые и невозобновляемые:
- к первому классу относятся источники, которые имеют неисчерпаемые источники энергии по человеческим меркам. Они постоянно пополняются естественным путем в ходе прохождения планетой определенного цикла;
- второй класс представлен невозобновимыми природными ресурсами, в число которых входит газ, нефть, уголь, уран. Они относятся к энергоресурсам, сокращающимся с истечением времени без возобновления до прежних размеров.
Возобновляемый источник энергии предоставляют ресурсы, в число которых входит солнечный свет, водный поток, приливы и геотермальная теплота. Их возобновлению способствует круговорот воды в природе, цикличность его определяется временем года. Явление способствует постоянному восполнению энергии естественным путем.
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.
Характеристики отдельных ВИЭ
Многие нетрадиционные и возобновляемые источники энергии без затруднений устанавливаются в жилых зданиях. Отдельные его виды можно применять в тяжелой и легкой промышленности, установив в производственных зданиях. В их число входят возобновляемые ресурсы, предоставляемые человеку самой природой.
Наибольшую популярность обрела энергия биомассы, являющаяся одним из видов «зеленой энергии». Она позволяет рационально использовать природные ресурсы планеты. Ресурсами являются отходы деревообрабатывающей и бумажной промышленности, отраслей сельского хозяйства, включая бытовой и строительный мусор, из которого вырабатывается естественным путем метан.
Воздушные массы атмосферы есть своего рода вечный неиссякаемый источник, потому что обладают огромной кинетической энергией. Они перемещаются под воздействием геологической деятельности ветра. Его сила преобразуется в электрическую энергию с помощью ветровых установок. Несмотря на довольно высокую стоимость, они успешно используются в районах со спокойным ландшафтом.
Еще один вечный источник энергии – Солнце. Солнечная энергетика является одним из направлений НВИЭ, основанной на непосредственном применении солнечного излучения для получения энергии. Она является бесплатным источником, который возобновляется. Помимо того, ее относят к категории «чистая энергетика», не производящей вредных отходов. Но солнечные установки применимы только в тех широтах планеты, где достаточно солнечного света для выработки электрической энергии.
Водный поток есть неиссякаемый источник, обладающий потенциальной и кинетической энергией. Она в ходе работы преобразуется в электрический ток. Ярким примером использования гидравлической энергии рек, воды является строительство малых и микро ГЭС, а также крупных ГЭС с большими мощностями.
Малые и микро ГЭС обрели популярность во многих странах, использующих энергию возобновляемых источников малых водотоков с целью выработки электрического тока. Нужно заметить, что в последние годы строительство крупных гидроэлектростанций сократилось до минимума.
«Зеленая энергетика» представлена энергией приливов и отливов океанов, морских волн и течений. Для их использования на берегу морей и океанов строятся приливные станции. Они преобразуют кинетическую энергию вращения Земли, возникающую за счет гравитационных сил Луны и Солнца, которые два раза в сутки изменяют уровень воды.
Достоинства и недостатки ВИЭ
Основное преимущество заключается в том, что возобновляемые ресурсы являются дешевым источником энергии. Это неиссякаемый источник энергии, который предоставлен в неограниченном количестве в окружающей среде, не являясь следствием целенаправленной деятельности человека.
Нужно заметить, что возобновляемые источники энергии имеют один недостаток. Он заключается в низкой степени концентрации, поэтому нельзя получаемую энергию передать на большие расстояния. Как правило, ВИЭ подлежит использованию вблизи потребителя.
Возобновляемая энергетика будущего
Учеными планеты ведутся дальнейшие разработки технологии водородного топлива, которая выделяет энергию при помощи синтеза атомов водорода в атом гелия. В будущем они намерены получать возобновляемые ресурсы не только с применением наземных конструкций, но и спутников Земли, чтобы использовать находящуюся в черных дырах космическую энергию.
Основные предпосылки для развития ВИЭ в Российской Федерации:
- обеспечение энергетической безопасности страны;
- сохранение окружающей среды, что позволит обеспечить экологическую безопасность;
- достижение нового уровня на мировом рынке возобновляемой энергии, что обозначено в общем стратегическом плане развития государства;
- претворение в жизнь мер, способствующих сохранить собственные возобновляемые ресурсы для будущих поколений;
- увеличение размеров потребления сырья, которое используется в качестве топлива.
В перспективе использование возобновляемых источников энергии позволит человечеству восполнить топливный дефицит, удешевить добычу топлива, тепла и моторного масла. Кроме того, их использование очищает атмосферу, что, несомненно, поможет улучшить экологическую обстановку планеты.
И в заключение необходимо отметить, что возобновляемые источники электроэнергии обладают несомненным преимуществом. Оно заключается в их неисчерпаемости и экологической чистоте. Человек может использовать их без каких-либо опасений, потому что они не нарушают энергетический баланс планеты. К тому же возобновляемые ресурсы находятся вокруг него всюду.
Иранский разработчик энергетических проектов Amin подписал соглашение с норвежской компанией, специализирующейся на производстве солнечных модулей. Партнёры планируют возвести в Иране солнечную электростанцию мощностью 2 ГВт. Контракт оценивается в $2,9 млрд.
Ранее глава компании Tesla Илон Маск заявил, что именно активное развитие возобновляемых источников энергии может стать гарантией развития цивилизации, в противном случае человечество рискует вернуться в «тёмные века».
При этом Маск входит в совет директоров компании SolarCity, специализирующейся на выпуске солнечных панелей. Компания занимает около 40% американского рынка установок солнечной генерации электроэнергии.
Маск известен как наиболее активный лоббист использования альтернативных источников энергии. Например, возглавляемая им Tesla заключила в 2017 году контракт на возведение в Австралии 100-мегаваттной аккумуляторной системы.
- Илон Маск
- Reuters
Мировой опыт
Внедрение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) набирает популярность во всём мире. Австралия — один из мировых лидеров по установке фотоэлектрических электростанций, доля которых в австралийской электроэнергетике превышает 3%. Ежегодно страна наращивает суммарную мощность солнечной генерации примерно на 1 ГВт.
По этому показателю Австралию обгоняет Великобритания, где общий показатель солнечных электростанций достигает 12 ГВт, что вдвое выше, чем в Австралии.
Бесспорным лидером в сфере ВИЭ является Китай, который совместно с Тайванем производит почти 60% всех солнечных панелей в мире.
Согласно подсчётам Международного энергетического агентства (IEA), мощность генерирующих установок, возведённых в КНР только в 2016 году, составила 34 ГВт. Впрочем, это лишь 1% потребляемой в Китае электроэнергии, большая часть которой генерируется из угля, — именно угольным ТЭС страна во многом обязана непростой ситуацией в экологии.
США также шли по пути перевода энергетики на возобновляемые источники. Но администрация Дональда Трампа отменила принятый Бараком Обамой план «Чистая энергия».
- Панели солнечных батарей, созданные Tesla, детская больница Сан-Хуана, Пуэрто-Рико
- Reuters
В 2014 году в рамках Климатической недели в Нью-Йорке была основана RE100 — структура, объединяющая компании, переходящие на использование возобновляемых источников энергии. К RE100 присоединились IKEA, Apple, BMW, Google, Carlsberg Group и т.п. Список членов RE100 постоянно пополняется. Например, в конце октября к организации присоединился один из крупнейших в мире производителей ветрогенераторов — датская компания Vestas Wind Systems.
В целом, по данным IEA, доля ВИЭ в мировом производстве электроэнергии в 2015 году составляла около 24%.
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.
Ещё одна популярная у экологического сообщества тема — использование биотоплива. Например, с точки зрения Международного энергетического агентства, биоэнергетика потенциально способна занять около 20% рынка первичной энергии к середине XXI века.
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.
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.
«Электромобили действительно весьма экологичный вид транспорта, но ведь для того, чтобы подключиться к электрической сети и запитать батарею, аккумулятор, нужно выработать эту электроэнергию, а для этого требуется первичный источник. Сегодня в мире таким первичным источником номер один является даже не нефть, а уголь», — отметил президент России Владимир Путин, выступая в начале октября на Международном форуме по энергоэффективности и развитию энергетики «Российская энергетическая неделя».
Эхо «Фукусимы»
Особую популярность тема возобновляемых источников энергии приобрела после 2011 года. После аварии на АЭС «Фукусима-1» всё громче звучат требования отказаться от использования атомной энергетики.
- Реактор №3 АЭС «Фукусима-1»
- Self Defence Force Nuclear Biological Chemical Weapon Defense Unit / Reuters
На сегодняшний день страной, полностью остановившей АЭС, стала Италия, в будущем примеру Рима планируют последовать Бельгия, Испания и Швейцария. В Германии последнюю АЭС планируют отключить к 2022 году. Всего в ФРГ работало 17 атомных электростанций, которые производили около четверти всей потребляемой в стране электроэнергии.
По мнению многих экспертов, панические настроения вокруг атомной энергетики сильно преувеличены.
«Если вычесть риск аварии, то атомная энергетика не несёт особых рисков для экологии», — отметил в интервью RT заместитель генерального директора Института национальной энергетики Александр Фролов.
Изначально руководство ЕС планировало компенсировать сворачивание атомной энергетики за счёт газовой генерации.
«Нам необходимо больше газа. После решения Берлина именно газ станет драйвером роста», — заявил еврокомиссар по энергетике Гюнтер Эттингер в 2011 году.
В среднем при сжигании природного газа в атмосферу выбрасывается в два раза меньше углекислого газа, чем при сжигании других видов ископаемых углеводородов.
Привилегированное положение
Однако росту газовой генерации помешали высокие темпы ввода мощностей альтернативной энергетики. В странах, наиболее активно развивающих ВИЭ, к 2014 году упала загрузка газовых ТЭС. По оценкам консалтинговой компании Capgemini, около 110 ГВт газовых мощностей не оправдали вложенные инвестиции и оказались на грани банкротства. В тяжёлом положении оказалось примерно 60% европейских ТЭС, работающих на природном газе.
По мнению ряда экспертов, причиной кризиса традиционной энергетики стала не высокая конкурентоспособность ВИЭ, а привилегии, которыми пользуются производители электроэнергии на возобновляемых источниках. «Зелёная» электроэнергия закупается властями по завышенным тарифам в приоритетном порядке.
Как считает Фролов, эта политика приводит к разбалансировке энергетической сферы.
«Резкий рост ввода возобновляемой энергетики сделал газовые ТЭС нерентабельными — они стали закрываться, — отметил эксперт. — Между тем ветряная и солнечная генерации имеют серьёзный недостаток: зависимость от погодных условий. Например, в начале этого года в Германии примерно на девять дней установилась пасмурная и безветренная погода. Объём генерации возобновляемой энергии упал на 90%. Для местных потребителей это стало шоком. Существующая база, на которой работают солнечные и ветряные станции, не обеспечивает гарантий бесперебойного снабжения электроэнергией. Зависимость от сил природы — это и есть настоящий возврат в тёмные века».
- Угольная электростанция Lippendorf, Саксония, Германия
- globallookpress.com
- Michael Nitzschke/imagebroker
На фоне закрытия газовых ТЭС в Европе растёт наиболее грязная генерация электроэнергии — угольная, считает Фролов.
Например, в Германии запланировано строительство двух десятков угольных ТЭС. В стране сложилась парадоксальная ситуация: вместе с ростом экологически чистого производства энергии увеличивается и наиболее опасный для окружающей среды сектор энергетики, отметил эксперт.
«Технологии становятся всё дешевле и доступнее»
В последние два года баланс на европейском энергетическом рынке начал выправляться: в Германии было запущено несколько газовых ТЭС, потребление газа в Евросоюзе начало расти. По итогам 2016 года использование природного газа в Евросоюзе возросло на 6% по сравнению с 2015 годом.
По мнению научного сотрудника Центра экономического моделирования энергетики и экологии РАНХиГС Татьяны Ланьшиной, развитие альтернативной энергетики не несёт никаких рисков.
«Хотя быстрый переход на возобновляемые источники энергии невозможен, те страны, которые давно над этим работают, добились больших успехов. Например, в Дании за счёт ВИЭ вырабатывается порядка половины всей электроэнергии, в Германии — примерно треть, — отметила эксперт в интервью RT. — Эти страны работали над этим десятилетиями, и другие страны тоже могут постепенно переходить на ВИЭ. Эти технологии становятся всё дешевле и доступнее. Что касается субсидий, то вся энергетика пользуется государственной поддержкой, и традиционная в том числе».
Учебный год
Лекция 20
Энергосберегающие технологии и освоение новых источников энергии
Условно источники энергии можно поделить на два типа: невозобновляемые и возобновляемые . К первым относятся газ, нефть, уголь, уран и т. д. Технология получения и преобразования энергии из этих источников отработана, но, как правило, не экологична, и многие из них истощаются.
Возобновляемые источники энергии - это источники, которые по человеческим масштабам являются неисчерпаемыми. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из природных ресурсов - таких как солнечный свет, ветер, движении воды в реках или морях, приливы, биотопливо и геотермальная теплота - которые являются возобновляемыми, т.е. пополняются естественным путем.
Перспективы использования возобновляемых источников энергии связаны с их экологической чистотой, низкой стоимостью эксплуатации и ожидаемым топливным дефицитом в традиционной энергетике.
Примеры использования возобновляемой энергии.
1.Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров. Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10-12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Использование энергии ветра растет примерно на 30 процентов в год и широко используется в странах Европы и США.
2. На гидроэлектростанциях (ГЭС) в качестве источника энергии используется потенциальная энергия водного потока, первоисточником которой является Солнце, испаряющее воду, которая затем выпадает на возвышенностях в виде осадков и стекает вниз, формируя реки. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Также возможно использование кинетической энергии водного потока на так называемых свободнопоточных (бесплотинных) ГЭС.
Особенности этого источника энергии:
Себестоимость электроэнергии на ГЭС существенно ниже, чем на всех иных видах электростанций;
Генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии;
Возобновляемый источник энергии;
Значительно меньше воздействует на воздушную среду, чем другие виды электростанций;
Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое;
Часто эффективные ГЭС удалены от потребителей;
Водохранилища часто занимают значительные территории;
Лидерами по выработке гидроэнергии на человека являются Норвегия, Исландия и Канада. Наиболее активное гидростроительство ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии, в этой же стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира.
3.Солнечная энергетика - направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.
Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:
Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;
Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин: паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;
Гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах);
Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор);
Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием), преимущество - запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.
Достоинства солнечной энергетики :
Общедоступность и неисчерпаемость источника;
Теоретически полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной способности) земной поверхности и привести к изменению климата.
Недостатки солнечной энергетики :
Зависимость от погоды и времени суток;
Как следствие необходимость аккумуляции энергии;
Высокая стоимость конструкции;
Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли;
Нагрев атмосферы над электростанцией.
4.Приливные электростанции . Электростанциями этого типа являются особым видом гидроэлектростанции, использующим энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды.
Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция.
Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками - высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в единой энергосистеме с другими типами электростанций.
5.Геотермальная энергетика - направление энергетики, основанное на производстве электрической и тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температур кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла. Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении. Крупнейшей в мире геотермальной установкой является установка на гейзерах в Калифорнии, с номинальной мощностью 750 МВт.
6.Биотопливо - это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки биологических отходов. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты,топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (биогаз, водород).
США и Бразилия производят 95 % мирового объёма биоэтанола. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из кукурузы. По оценкам Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15%.
Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают на Е10 (некоторые источники утверждают, что можно использовать даже Е15). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. «Flex-Fuel» машины («гибкотопливные» машины). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива.
Критики развития биотопливной индустрии заявляют, что растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных. По расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастёт до 1,2 млрд. человек.
С другой стороны, продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (FAO) в своем отчете говорит о том, что рост потребления биотоплив может помочь диверсифицировать сельскохозяйственную и лесную деятельность, способствуя экономическому развитию. Производство биотоплив позволит создать в развивающихся странах новые рабочие места, снизить зависимость развивающихся стран от импорта нефти. Кроме этого производство биотоплив позволит вовлечь в оборот ныне не используемые земли. Например, в Мозамбике сельское хозяйство ведётся на 4,3 млн. га из 63,5 млн. га потенциально пригодных земель. По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385-472 миллиона гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплив позволит увеличить долю биотоплив до 8 % в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплив может составить от 10 % до 25 %.
7.Водородная энергетика - развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики).
Топливный элемент - электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне - в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе. Топливные элементы - это электрохимические устройства, которые могут иметь очень высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую (~80 %). Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент). В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в нее реагенты и сохраняется работоспособность самого элемента. Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода), образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород, и обратно в электрическую энергию) 30-40 %.
Топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых:
7.1 Высокий КПД : у топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин. Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 42 %, чаще же составляет порядка 35-38 %. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60-80 %.
7.2Экологичность . В воздух выделяется лишь водяной пар, что является безвредным для окружающей среды. Но это лишь в локальном масштабе. Нужно учитывать экологичность в тех местах, где производятся данные топливные ячейки, так как производство их само по себе уже составляет некую угрозу.
7.3 Компактные размеры . Топливные элементы легче и занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Это становится особенно актуальным в военных приложениях.
Проблемы топливных элементов .
Внедрению топливных элементов на транспорте мешает отсутствие водородной инфраструктуры. Возникает проблема «курицы и яйца» - зачем производить водородные автомобили, если нет инфраструктуры? Зачем строить водородную инфраструктуру, если нет водородного транспорта? Топливные элементы, в силу низкой скорости химических реакций, обладают значительной инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок требуют определённого запаса мощности или применения других технических решений (сверхконденсаторы, аккумуляторные батареи). Также существует проблема получения водорода и хранения водорода. Во-первых, он должен быть достаточно чистый, чтобы не произошло быстрого отравления катализатора, во-вторых, достаточно дешёвый, чтобы его стоимость была рентабельна для конечного потребителя.
Существует множество способов производства водорода, но в настоящее время около 50 % водорода, производимого во всём мире, получают из природного газа. Все остальные способы пока дорогостоящи. Существует мнение, что с ростом цен на энергоносители стоимость водорода также растёт, так как он является вторичным энергоносителем. Но себестоимость энергии, производимой из возобновляемых источников, постоянно снижается.
Возобновляемые источники энергии
В понятие возобновляемые источники энергии (ВИЭ) включаются следующие формы энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, течений, приливов и океана, энергия биомассы, гидроэнергия, низкопотенциальная тепловая энергия и другие "новые" виды возобновляемой энергии.
Принято условно разделять ВИЭ на две группы:
Традиционные
: гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии ГЭС мощностью более 30 МВт; энергия биомассы, используемая для получения тепла традиционными способами сжигания (дрова, торф и некоторые другие виды печного топлива); геотермальная энергия.
Нетрадиционные
: солнечная, ветровая, энергия морских волн, течений, приливов и океана, гидравлическая энергия, преобразуемая в используемый вид энергии малыми и микроГЭС, энергия биомассы, не используемая для получения тепла традиционными методами, низкопотенциальная тепловая энергия и другие "новые" виды возобновляемой энергии.
Перспективы возобновляемой энергетики
В последние годы тенденция роста использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) становится достаточно явной. Проблемы развития ВИЭ обсуждаются на самом высоком уровне. Так на встрече на высшем уровне на Окинаве (июнь 2000) главы восьми государств, в том числе Президент России В. В. Путин, обсудили глобальные проблемы развития мирового сообщества и среди них проблему роли и места возобновляемых источников энергии. Было принято решение образовать рабочую группу для выработки рекомендаций по значительному развертыванию рынков возобновляемой энергетики. Практически во всех развитых странах формируются и реализуются программы развития ВИЭ.
Чем же вызван такой интерес к этой проблеме?
Говоря об этой тенденции, следует выделить один принципиально новый момент. До последнего времени в развитии энергетики прослеживалась четкая закономерность: развитие получали те направления энергетики, которые обеспечивали достаточно быстрый прямой экономический эффект. Связанные с этими направлениями социальные и экологические последствия рассматривались лишь как сопутствующие, и их роль в принятии решений была незначительной.
При таком подходе ВИЭ рассматривались лишь как энергоресурсы будущего, когда будут исчерпаны традиционные источники энергии или когда их добыча станет чрезвычайно дорогой и трудоемкой. Так как это будущее представлялось достаточно отдаленным (да и сейчас говорить серьезно об истощении потенциала традиционных энергоресурсов можно лишь с большой натяжкой), то использование ВИЭ представлялось достаточно интересной, но в современных условиях скорее экзотической, чем практической, задачей.
Ситуацию резко изменило осознание человечеством экологических пределов роста. Быстрый экспоненциальный рост негативных антропогенных воздействий на окружающую среду ведет к существенному ухудшению среды обитания человека. Поддержание этой среды в нормальном состоянии и возможность ее к самосохранению, становится одной из приоритетных целей жизнедеятельности общества. В этих условиях прежние, только узко экономические оценки различных направлений техники, технологии, хозяйствования, становятся явно недостаточными, ибо они не учитывают социальные и экологические аспекты.
Импульсом для интенсивного развития ВИЭ впервые стали не перспективные экономические выкладки, а общественный нажим, основанный на экологических требованиях. Мнение о том, что использование ВИЭ существенно улучшит экологическую обстановку в мире, - вот основа этого нажима.
Экономический потенциал возобновляемых источников энергии в мире в настоящее время оценивается в 20 млрд. т.у.т. в год, что в два раза превышает объем годовой добычи всех видов ископаемого топлива. И это обстоятельство указывает путь развития энергетики ближайшего будущего.
Основное преимущество возобновляемых источников энергии - неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного развития возобновляемой энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в ближайшем десятилетии.
По оценке Американского общества инженеров-электриков, если в 1980 г. доля производимой электроэнергии на ВИЭ в мире составляла 1%, то к 2005 г. она достигнет 5%, к 2020 - 13% и к 2060 г. - 33%. По данным Министерства энергетики США, в этой стране к 2020 г. объем производства электроэнергии на базе ВИЭ может возрасти с 11 до 22%. В странах Европейского Союза планируется увеличение доли использования для производства тепловой и электрической энергии с 6% (1996) до 12% (2010). Исходная ситуация в странах ЕС различна. И если в Дании доля использования ВИЭ в 2000 г. достигла 10%, то Нидерланды планируют увеличить долю ВИЭ с 3% в 2000 г. до 10% в 2020 г. Основной результат в общей картине определяет Германия, в которой планируется увеличить долю ВИЭ с 5,9% в 2000 г. до 12% в 2010 г. в основном за счет энергии ветра, солнца и биомассы.
Можно выделить пять основных причин, обусловивших развитие ВИЭ:
· обеспечение энергетической безопасности;
· сохранение окружающей среды и обеспечение экологической безопасности;
· завоевание мировых рынков ВИЭ, особенно в развивающихся странах;
· сохранение запасов собственных энергоресурсов для будущих поколений;
· увеличение потребления сырья для неэнергетического использования топлива.
Масштабы роста использования ВИЭ в мире на ближайшие 10 лет представлены в табл. 1. Чтобы ощутить масштаб цифр, укажем, что электрическая мощность электростанций на возобновляемых источниках энергии (без крупных ГЭС) составит 380-390 ГВт, что превышает мощность всех электростанций России (215 ГВт) в 1,8 раза.
Таблица 1
|
Вид оборудования или технологии
|
2000 г.
|
2010 г.
|
|
|
Фотоэлектричество |
0,938 (0,26) |
||
|
Ветроустановки, подключенные к сети |
|||
|
Малые ГЭС |
|||
|
Электростанции на биомассе |
|||
|
Солнечные термодинамические станции |
|||
|
Геотермальные станции |
|||
|
380,9 - 392,45 |
|||
|
Геотермальные тепловые станции и установки, ГВт |
|||
|
Солнечные коллекторы и системы, |
|||
На территории России сосредоточено 45% мировых запасов природного газа, 13% - нефти, 23% - угля, 14% - урана. Такие запасы топливно-энергетических ресурсов могут обеспечить потребности страны в тепловой и электрической энергии в течение сотен лет. Однако фактическое их использование обусловлено существенными трудностями и опасностями, не обеспечивает потребности многих регионов в энергии, связано с безвозвратными потерями топливно-энергетических ресурсов (до 50%), угрожает экологической катастрофой в местах добычи и производства топливно-энергетических ресурсов. Природа может не выдержать такого испытания. Около 22-25 млн. человек проживают в районах автономного энергоснабжения или ненадежного централизованного энергоснабжения, занимающих более 70% территории России.
Экономический потенциал ВИЭ на территории России, выраженный в тоннах условного топлива (т.у.т.), составляет по видам источников: энергия Солнца - 12,5 млн., энергия ветра - 10 млн., тепло Земли - 115 млн., энергия биомассы - 35 млн., энергия малых рек - 65 млн., энергия низкопотенциальных источников тепла - 31.5,млн., всего - 270 млн. т.у.т.
Эти источники по объему составляют примерно 30% от объема потребления топливно-энергетических ресурсов в России, составляющего 916 млн. т.у.т. в год, что создает благоприятные перспективы решения энергетических, социальных и экологических проблем в будущем.
Особенностью современного состояния научно-технических разработок и практического использования ВИЭ является пока еще более высокая стоимость получаемой энергии (тепловой и электрической) по сравнению с энергией, получаемой на крупных традиционных электростанциях. Но актуальность данного вопроса не исчезает. В России имеются обширные районы, где по экономическим, экологическим и социальным условиям целесообразно приоритетное развитие возобновляемой энергетики, в том числе нетрадиционной и малой. К ним относятся:
- зоны децентрализованного энергоснабжения с низкой плотностью населения, в первую очередь, районы Крайнего Севера и приравненные к ним территории;
- зоны централизованного энергоснабжения с большим дефицитом мощности и значительными материальными потерями из-за частых отключений потребителей энергии;
- города и места массового отдыха и лечения населения со сложной экологической обстановкой, что обусловлено вредными выбросами в атмосферу от промышленных и городских котельных, работающих на ископаемом топливе;
- зоны с проблемами обеспечения энергией индивидуального жилья, фермерских хозяйств, мест сезонной работы, садово-огородных участков.
К примеру, во многом энергетическая безопасность формируется на региональном уровне. Степень обеспеченности регионов собственными топливно-энергетическими ресурсами является одним из основных показателей восприимчивости регионов к угрозам энергетической безопасности. Освоение и использование местных энергетических ресурсов (гидроэнергетика малых рек, торф, небольшие месторождения углеводородных топлив и др.), а также использование других, в первую очередь возобновляемых, энергетических ресурсов (солнечная, ветровая, геотермальная энергия, энергия биомассы) позволят многие регионы страны перевести на энергообеспечение за счет ВИЭ, обеспечив их энергетическую независимость.
В некоторых областях использования ВИЭ Россия имеет крупные научные результаты, соответствующие мировому уровню. Выявлены большие потенциальные возможности использования этих источников энергии в решении энергетических и экологических проблем уже в ближайшем будущем.
Никаких катастроф. Никаких вредных для климата выбросов углекислого газа. Возобновляемые источники энергии — это экологически чистая и безопасная альтернатива атомной энергии. Использование ВИЭ с каждым годом становится все более рентабельным.
Эксперты Гринпис и другие специалисты прогнозируют, что к 2030 году возобновляемые источники энергии будут удовлетворять 40% мирового спроса на энергию и до 80% спроса — к середине столетия. Более того, к 2050 году 100% электроэнергии мир может получать из возобновляемых источников.
Ни один из секторов энергетики не развивается так быстро, как ветровая и солнечная энергетика. Ежегодно они растут на 30% — 35%.
Вот лишь несколько примеров того, как альтернативные источники энергии завоевывают мир:
Почти половина всех вновь вводимых мощностей в электроэнергетике - это установки на основе возобновляемых источников энергии.
В солнечной электроэнергетике (фотовольтаике) 2010 году было введено 16 000 МВт, общая установленная мощность достигла 40 000 мегаватт.
В 2009 году ветровая энергетика вытеснила угольную с третьего места по количеству вырабатываемой электроэнергии.
В 2010 году в Китае возводили примерно по одной ветротурбине в час. Каждые 8 часов Китай вводит столько же мощностей в ветроэнергетике, сколько есть во всей России — 15 МВт.
Мощность ветроустановок в мире увеличилась в 2010 году на 35 800 МВт, таким образом, общая мощность ветростанций составила 194 400 МВт. Инвестиции в новые ветряки в 2010 году составили 47,3 миллиарда Евро.
10% совокупного спроса на энергию в Новой Зеландии удовлетворяется за счет геотермальной энергии.
Всего за 5 лет доля возобновляемой энергии в Португалии увеличилась с 15% до 45%.
К середине столетия ВИЭ обеспечат весь мир электроэнергией
Гринпис давно убеждает мировое сообщество в том, что в ближайшем будущем возобновляемые источники энергии смогут обеспечивать мир электроэнергией. Сейчас доля ВИЭ в общемировом производстве тепла — 24%, электричества — 18%. Остальные 80% электроэнергии мир получает за счет сжигания ископаемого топлива. Однако в скором будущем эта картина сильно изменится.
В 2011 году Гринпис и Европейская Ассоциация фотоэлектрической индустрии (EPIA) опубликовали совместный доклад «Солнечная энергетика». По их подсчетам, солнечная энергетика могла бы уже к 2020 году давать Европе 12% всей необходимой ей электроэнергии, а к 2030 году — обеспечить 9% общемирового спроса.
Что касается энергии ветра, то ветропарки к 2030 будут давать миру до 22% электроэнергии, прогнозируют авторы доклада Global Wind Energy Outlook 2010 , выпущенного Международным советом в области ветровой энергетики (Global Wind Energy Council) совместно с Гринпис.
Существуют и другие исследования, подтверждающие эти выводы. Компания PricewaterhouseCoopers предсказывает, что к 2050 году Европа и Северная Африка могут полностью перейти на возобновляемую энергию.
Суть всех исследований сводится к одному: технологии ВИЭ находятся на пороге экономического прорыва. Появляются новые способы производства возобновляемой энергетики — соответственно растет и конкуренция на рынке ВИЭ. Стоимость производства фотоэлектрической (солнечной) энергии значительно снизилась за последние несколько лет, и к 2015 году она может упасть еще на 40%. Правительства многих стран активно вкладывают деньги в возобновляемую энергетику. В 2009 году Китай отобрал у США звание крупнейшего инвестора в экологически чистую энергию, вложив в ВИЭ 34,6 млрд долларов США. Для сравнения: Россия ежегодно тратит на строительство новых АЭС примерно 3 млрд долларов.
Альтернативная энергетика в России
Если не учитывать крупные ГЭС, в России доля возобновляемых источников энергии в производстве электроэнергии — примерно 1%. Чуть больше доля ВИЭ в тепловой энергетике — около 2%. То есть большую часть (90%) всей, производимой в России первичной энергии по-прежнему дают уголь, нефть и газ.
Потенциал альтернативной энергетики в России очень высокий. Из возобновляемых источников мы могли бы получать до четверти всей необходимой стране энергии. Без ущерба для экономики, ведь все необходимые технологии и средства у России уже есть.
Но для этого нужно перестать субсидировать традиционную энергетику, прежде всего строительство новых атомных станций и крупных ГЭС. Одна только атомная энергетика ежегодно получает из федерального бюджета до 100 млрд рублей безвозмездной финансовой помощи для строительства новых АЭС. Если правительство гарантирует инвесторам стабильный доход от вложений в возобновляемую энергетику (за счет налоговых льгот и других механизмов финансовой поддержки), то энергия ветра и солнца составит серьезную конкуренцию углю и атому.
Разработанный Гринпис сценарий - реалистичен. Это доказывает опыт других стран. Китай к 2020 году планирует повысить долю ВИЭ в электроэнергетике до 15%, Египет — до 20%, Евросоюз — до 30%. Увы, планы российских властей существенно скромнее — 4,5% вместо вполне достижимых 13%.
Технологически заменить атомную энергетику ветровой и солнечной возможно. Есть пример далеко не солнечной Германии. После аварии на японской АЭС «Фукусима-1» ФРГ остановила для проверки 8 реакторов мощностью 8,8 ГВт, заменив их не газом или импортным топливом, а энергией ветра и солнца.
