Главная
2013 0

Альтернативная энергетика: виды, преимущества и недостатки, примеры

Альтернативная энергия для частного дома - мечта многих людей, которые желают избавиться от платы за коммунальные платежи. Но все ли мы понимаем, что это такое? Так вот, альтернативная энергия - это любой источник энергии, который является альтернативой традиционному виду топлива.

В основном они относятся к классу возобновляемых, а их цель - справиться с проблемами, возникающими от использования традиционных источников, а именно сильным загрязнением окружающей среды углекислым газом.

С течением времени понятие того, что представляет собой альтернативный источник, сильно изменилось, так же как и усилились противоречия в отношении их использования. Определение некоторых источников в качестве «альтернативных» считается весьма противоречивым. Причиной тому служит многообразие путей использования материалов и сильное отличие целей сторонников их применения. Таким образом, любители делать альтернативные источники энергии своими руками могут сильно навредить окружающей среде даже не осознавая это.

Содержание:

Виды альтернативных источников энергии

  • Гидроэнергетика: получение энергии из движения воды. К этому классу относятся традиционные ГЭС, а также приливные и волновые электростанции.
  • Ядерная энергетика: используется огромное количество энергии, которое высвобождается при ядерном делении тяжелых элементов.
  • Ветроэнергетика: генерация электричества за счет вращения ветром специальных установок.
  • Солнечная энергетика: получение полезной энергии из солнечного света и излучения. Термальные преобразователи задействуют тепло Солнца, а свет используется для генерации электричества фотогальваническими устройствами.
  • Геотермальная энергетика: использование горячих источников нашей планеты, чтобы прогревать строения или производить электричество.
  • Биотопливо: альтернатива нефти, применяемая в качестве топлива в машинах, мотоциклах и т. д.
  • Водород: носитель энергии, можно отнести к биотопливу. Существует множество способов получения материала, например из воды с помощью электролиза.

История

Некоторые ученые историки исследовали основные моменты смены традиционной энергетики на схожую по назначению. Они считают, что такие переходы оказали существенное влияние на экономическую обстановку. Типичным фактором данного процесса является снижение стабильности поставок основного вида энергии в совокупности с сильным ростом цен на него.

Уголь как альтернатива древесине

Одним из основных видов топлива в средние века была древесина. Чрезмерное пользование материалом привело к сильному обезлесиванию, а следовательно нехватке источника энергии. Именно тогда люди нашли для себя нового спасителя - мягкий уголь. Вот как рисует ситуацию того времени Норман Ф. Кантор:

В ранние средневековье население Европы существовало рядом с большими запасами леса. После 1250 года человечество имело такой существенный опыт в работе с деревьями, что к 1500 году н.э. у них отсутствовало достаточное количество материала для житейских нужд... Таким образом, в это время население оказалось на грани топливной и пищевой катастрофы. Найти выход из ситуации помогло применение мягкого угля, а также освоение таких растительных культур как кукуруза и картофель.

Нефть как альтернатива китовому маслу

На старте 19 века китовое масло было доминирующим источником топлива для ламп, а так же являлось основным видом смазки . Однако к середине века постоянное вырезание животного привело к резкому подъему стоимости масла. Именно это стало ключевым фактором, после которого люди начали смотреть в сторону нефти.

Этанол против ископаемого топлива

Еще в начале 20 века Александр Грэхем Белл предлагал заменить традиционные ископаемые источники топлива на этанол из растительных культур, таких как кукуруза или пшеница. Он говорил, что привычные нам материалы для топлива могут закончиться достаточно быстро, а их основной недостаток - они не возобновляются.

В конце 20 века Бразилия запустила этанольную программу. За счет ее реализации страна начала экспортировать данного топливо больше всех в мире, а так же заняла вторую строчку международного рейтинга по объему его производства. В качестве исходного материала они решили использовать сахарный тростник - это дешевый вид растения, к тому же его отходы можно отправить в топку на получение дополнительной энергии. Сейчас в Бразилии больше нет транспортных средств, работающих на старом виде топлива, а найти этанол на любой заправке страны можно было еще в 2008 году.

Специальный целлюлозный этанол можно получить из разного сырья, а его создание подразумевает задействование полного объема урожая. Такой подход должен повысить сбор растительной продукции и понизить уровень углерода, который появляется из-за удобрений, требующих много энергии при производстве.

Газификация угля вместо нефти

В конце 20 века правительство США хотела избавиться от зависимости в дорогостоящей нефти из-за границы. В качестве альтернативы власти выбрали газификацию угля, но вскоре из-за падения стоимости нефти программу пришлось закрыть. Также стоит отметить, что данный метод имеет сильные загрязняющие последствия.

Вспомогательные технологии

Вспомогательные технологии - любые виды разработок, которые помогают снизить НЕ эффективность систем. Например, большинство техники выделяет огромное количество энергии в никуда, в воздух. Ваш компьютер или телефон вырабатывает тепло, которое можно было бы направить в правильное русло, тем самым увеличив полезность работы устройства.

Запасание термальной энергии

Кондиционирование холода в виде замерзшей воды, сохранение жара в источнике - это пути запасать энергию. Специальными разработками можно сохранить термальную энергию как на сутки, так и на целые сезоны. Виды источников различны:

  • естественные - солнечные коллекторы способны использовать тепловую энергию солнца, а сухие градирни применяются для запасения холода;
  • выработанная энергия - например, от различного рода устройств, процессов или деятельности электростанций. Самым простым примером послужит обычный компьютер, вырабатывающий при работе тепло, которое можно было бы использовать;
  • избыточная энергия - например, сезонные превышение нормы выработки от гидроэнергетики или ветропарков.

Примером послужит сообщество Drake Landing (Альберта, Канада). Тепло, запасенное в скважине или любом изолированном источнике с помощью солнечных коллекторов, почти весь год обеспечивает их термальной энергией.

Рекуперация

Рекуперация - повторное задействование уже израсходованной энергии. Технологию часто еще называют регенерацией. В основном выделяют два пути рекуперации: тепла и кинетической энергии.

(Система рекуперации торможения bmw i3)

Компьютеры имеют свойство нагреваться во время работы, поэтому их необходимо постоянно охлаждать, дабы они не вышли из строя. Таким образом здесь описывается сразу два случая траты энергии: на понижение температуры устройства и нагрев воздуха, который в итоге и нужно охлаждать. Теперь представьте, что в одном месте собраны сотни и даже тысячи таких машин, и насколько большие затраты придется нести владельцу. А ведь именно с этой проблемой сталкиваются собственники дата-центров. Но некоторые фирмы находят пути снижения издержек - одним из них как раз и является рекуперация тепла. Дата-центр компании Яндекс в Финляндии использует естественный холод с улицы для охлаждения серверов, а выделяемое компьютерами тепло они отравляют на отопление домов близлежащего городка. Как все это работает, можно посмотреть в специальном ролике компании:

Но такие системы очень сложны и стоят больших денег, следовательно, могут позволить себе не все. Именно поэтому данной технологией пользуются лишь крупные фирмы, такие как Amazon, Facebook, Apple и некоторые другие.

Еще одним путем, помимо работы с теплом, является рекуперация энергии торможения. Транспортные средства, оборудованные системой регенерации при замедлении, способны поймать уходящую в никуда кинетическую энергию и направить ее в запасы аккумулятора.

«Автомобиль в сети» или V2G

Технология «автомобиль в сети» или V2G становится все более популярной с развитием электрических машин. Суть заключается в том, что электромобиль подключается к центральной сети, а запасом энергии батареи позволяется распоряжаться коммунальной службе. Таким образом, во время пиковых нагрузок из аккумулятора транспортного средства может быть извлечена необходимая мощность, а в любое другое время батарея заряжается.

Недавнее исследование показало, что в итоге электромобили с системой V2G позволят сэкономить огромные суммы денег даже если коммунальные службы будут платить собственникам за доступ к их машинам. К аналогичным выводом пришел BMW, который 3 года тестировал программу «ChargeForward» на автомобилях BMW i3. Автопроизводитель даже заявил, что машину можно превратить в «дойную корову». Стоит упомянуть компанию Tesla, которая в свое время отказалась от этой идеи, а сейчас думает поменять свою точку зрения. К тому же, данная технология улучшает использование возобновляемых источников энергии.

Виртуальные электростанции

Виртуальные электростанции начали появляться совсем недавно, и они никак не связаны с виртуальным миром. На самом деле, это лишь распределенные источники энергии подключенные в единую сеть. Их появлению способствовало широкое распространение домашних накопителей энергии в совокупности с солнечными установками.

Идея технологии проста. Солнечная система любого дома может быть подключена к центральной сети. Пиковые часы - проблема любой коммунальной электрической службы, так как нагрузка вырастает в разы. Однако, используя технологию виртуальной электростанции, недостающая мощность частично или полностью берется из домашних накопителей, которые сохранили излишки солнечной энергии. Владельцам жилищ на момент пика эта энергия может быть ни к чему, так как их дом питается от солнечных батарей или же просто нет необходимости в столь большом потреблении.

В темное время суток, когда солнечные панели не могут вырабатывать электричество, мощность берется из общей сети со скидкой или же за деньги, которые владельцы получили от взятой у них же энергии.

Примером реализации этой технологии служит Австралия. В мае 2018 года правительство страны договорилось с фирмой Tesla, что та поставит на 50 000 домов солнечные панели и систему запаса энергии Powerwall. Результатом должна получиться распределенная электростанция на 650 МВт-ч - это самая большая распределенная электростанция на текущий момент. Уже летом того же года первые 100 установок продемонстрировали свою пользу.

(Tesla Powerwall)

Другое интересное решение придумал дуэт фирм из Западной Австралии. Они создали альтернативу отдельным Powerwall для группы домов из одной мощной батареи Tesla Powerpack. Компании предоставляют энергетические возможности 52 семьям с солнечными установками в Медоу-Спрингс. Таким образом владельцы не тратятся на индивидуальные аккумуляторы и получают скидку на электричество из общей сети или того, что сохранил Powerpack.

Как видно, такие станции сильно способствуют распространению солнечной энергетики.

Балансировка сетей большими аккумуляторными батареями

Принципиально нового здесь ничего нет. Используется батарея в качестве резервного источника питания. Единственное исключение, что применяются такие аккумуляторы в крупных масштабах, начиная от небольших зданий/университетов и заканчивая целыми городами.

Одним из самых крупных представителей данной области является Tesla. Компания реализовала уже множество проектов различных масштабов:

Большинство клиентов отмечает превосходную работу техники Tesla и говорят, что их вложения быстро окупаются.

Видеоролик компании об установках Powerpacks в Бельгии:

Возобновляемая и не возобновляемая энергетика

Свет солнца, тепло земли, ветер - из всего этого мы можем получить энергию, которая постоянно пополняется за счет привычных нам закономерностей природы. Именно это отличает возобновляемые источники от не возобновляемых. Процессы получение этих двух разных типов энергии сильно отличаются. Добыча природных ископаемых, таких как нефть, уголь и газ - трудоемкие и высокотехнологичные процессы, которые требуют большого количества дорогого оборудования, сложных физических и химических процессов. С другой стороны, возобновляемую энергию можно широко использовать с применением естественных процессов и существующего оборудования.

Относительно новые концепции альтернативной энергетики

Углеродно-нейтральное и отрицательное топливо

Данный тип топлива является синтетическим. К нему относятся реактивное топливо, дизель, бензин и т. д. Такой вид топлива выделяют из источников, содержащих углерод, например дыма от электростанций или из автомобильных выхлопов. Компании рассчитывают, что у них получится сделать производство топлива коммерчески успешным при стоимости нефти на уровне $50-60.

Возобновляемый метанол - еще одно топливо, нейтральное по отношению к углеродным выбросам, так как его самого получают из данного элемента. Метанол используется как для питания различных машин, так и в качестве материала химических процессов.

Например, в Исландии есть перерабатывающий завод, первичным материалом которого является углекислый газ из дыма близлежащей электростанции. Его годовая выработка составляет более 5 млн. литров начиная с 2011 года.

Еще одним примером можно назвать фирму Ауди. Завод компании в Германии создает сжиженный природный газ, после использования которого остается только вода и кислород. Данное производство служит для получения облегченного источника энергии транспортных средств, таких как Audi A3 Sportback g-tron. Выпускаемое топливо выделяют из углеродосодержащих веществ, поэтому и выбросов в атмосферу фактически никаких нет.

Использование топлива не дает реального повышения содержания углекислого газа в окружающей среде, поэтому его и называют нейтральным. Оно облегчает ситуацию, связанную с заимствованием природных источников из-за рубежа, с поиском и разработкой аналогов и с другими проблемами, возникающими от использования ископаемого топлива. Также, отпадает большая необходимость в переходе на электромобили или альтернативный «чистые» машины, а следовательно нет необходимости замены существующих двигателей. Нейтральные к углероду топлива обеспечивают относительно низкое энергопотребление, уменьшают трудности падения активности ветровой и солнечной энергетики, а также в какой-то степени позволяют доставлять энергию возобновляемых источников по уже построенным газопроводам(энергия этих источников используется для производства газа, который передается по трубам).

Самая дешевая энергия получается благодаря ветру ночью. Вырабатываемое в это время электричество и направляют на синтез топлива. Это связано с тем, что кривая нагрузки на сеть резко возрастает, когда люди бодрствуют, а активность ветра в основном повышается в ночное время суток.

Водорослевое топливо

Еще одним источником биотоплива являются водоросли. Из школьного курса биологии нам известно, что растения во время фотосинтеза поглощают углекислый газ и солнечный свет, а в обмен создает кислород и биомассу. Во время фотосинтеза водоросли и другие фотосинтетические организмы захватывают углекислый газ и солнечный свет и превращают его в кислород и биомассу. Обычно процесс получения энергии начинается с того, что растение размещается между двумя стеклами, где оно выделяет три вида энергетического топлива: тепло (из его цикла роста), биотопливо (натуральное «масло») и биомасса (из самого растения, поскольку оно собирается после зрелости).

Тепло может использоваться для нагрева, например воды, или для производства энергии. Биотопливо - это масло, добытое из водорослей в зрелости и применяемое для создания топлива - аналогично биодизелю. Биомасса - это все то, что остается после извлечения масла и воды, и может быть выделено для получения горючего метана.

Кроме того, преимуществами биотоплива из водорослей будет то, что для его производства не нужно использовать пахотные земли и отбирать часть продовольственных культур, таких как соя, пальма и рапс.

Брикеты из биомассы

Брикеты из биомассы применяются в развивающихся странах в качестве альтернативы древесному углю. Данные подход подразумевает пресование разлиных растений в небольшие брикеты, содержащие более 65% энергетического запаса угля.

Найти примеры выпуска брикетов в крупных масштабах довольно тяжело. Одним из них служит Северный Киву, где уничтожение леса опасно для существования горной гориллы. Сотрудники Национального парка Вирунга успешно обучили местных жителей и оснастили более 3500 человек всем необходимым оборудованием для производства брикетов из биомассы. Таким образом удалось искоренить незаконное производство древесного угля в национальном парке, а также создать значительную занятость для людей, живущих в условиях крайней нищеты в районах, затронутых конфликтами.

Биогазовое расщепление

Биогаз получается из метанового газа, который выделяется, когда органические отходы разлагаются в анаэробной среде. Его можно обнаружить на мусорных свалках или в канализационных системах. Газ используется в качестве топлива для отопления или, чаще всего, для выработки электроэнергии.

Производство биологического водорода

Водородный газ является полностью чистым горючим топливом, а его единственный побочный продукт - вода. Он содержит высокое количество энергии по сравнению с другими видами топлива из-за его химической структуры. К сожалению, для получения газа требуется много энергии, что делает его коммерчески неэффективным. Однако есть вариант производства топлива с использованием биологических организмов, которые расщепляли бы воду на составляющие. К таким организмам относятся бактерии или чаще водоросли. Этот процесс известен как производство биологического водорода.

Теперь о самом процессе. Данный способ использует одноклеточных существ для создания газообразного водорода путем брожения. Без присутствия кислорода обычное клеточное дыхание невозможно, и тогда дело в свои руки берет ферментация или же просто брожение. Именно газообразный водород является основным побочным продуктом этого процесса.

Реализация данного метода в больших масштабах позволила бы получать достаточно водородного газа, чтобы считать его крупным источником энергии. Однако широкомасштабное производство оказалось трудным. Только в 1999 году получилось воссоздать необходимые анаэробные условия. Но брожение является эволюционным резервом, активизирующимся во время стресса, поэтому клетки умирали во время данного процесса уже через несколько дней. В 2000 году был разработан двухстадийный подход, позволяющий вводить клетки в анаэробное состояние, а затем выводить их из него, чтобы организмы оставались в живых.

В течение последних десятков лет поиски способа воссоздать данный процесс в крупном масштабе был главной целью исследований. До сих пор не получилось добиться каких-то значительных результатов в этой сфере, хотя многие ученые бьются над решением этой задачи. Некоторые считают, что как только мы найдем ключ к этой головоломке, то производство данного вида топлива сможет решить наши энергетические проблемы. Однако не стоит забывать, что сейчас мир активно переходит на электрические машины. Илон Маск когда-то уже делал заявление, что автомобили на водороде - глупость и опасная технология, к тому же добиться хорошей плотности энергии, как в случае литий-ионных аккумуляторов, тоже вряд ли получится. Но тогда можно использовать водород в качестве источника для подзарядки автомобильных батарей.

Малая гидроэнергетика

В 2015 году гидроэнергетика произвела 16,6% всей электроэнергии в мире и 70% от общего объема возобновляемой электроэнергии. Однако по статистике IRENA к 31 марта 2018 года доля данного источника по отношению к остальной возобновляемой электроэнергии снизилась до 53%. Несмотря на этот факт, выработка от гидроэнергетики увеличивается с каждым годом.

Популярной альтернативой крупным плотинам прошлого является русловая ГЭС(гидроэлектростанция), которая не требует хранения воды в дамбе, а выработка энергии варьируется в зависимости от осадков. Использование данной технологии во влажные сезоны в совокупности с солнечными станциями в засушливые времена может сбалансировать временные колебания для обоих. Альтернатива крупным плотинам также являются малые установки, которые ставят в начале притоке, где быстрое течение.

(Шексинская ГЭС - фотография русловой гидроэлектростанции)

Морской ветер

Морские(или оффшорные) ветровые электростанции подобны наземным, но расположены на берегу океана. Их погружают в воду на глубину до 40 метров, а плавучие турбины могут находиться в воде до глубины в 700 метров. Преимуществом таких станций является использование ветров из открытого океана, который не встречает на своем пути каких-либо препятствий, таких как холмы, деревья или здания. Морские ветра способны достигать в два раза большей скорости, чем в прибрежных районах.

(Схема крепления морских ветряков)

Сама по себе ветровая энергетика развивается огромными шагами во всем мире, с каждым годом отвоевывая все большую долю в выработке электроэнергии возобновляемыми источниками. Однако существенная генерация энергии на шельфе уже сейчас восполняет многие потребности Европы, Азии и Америки.

Традиционные оффшорные турбины прикрепляются к морскому дну в менее глубоких местах. По мере развития технологий, генерирующих энергию из океанского ветра, в более глубоких водах начинают все чаще использоваться плавающие структуры, где ветра еще сильнее.

(Плавучий морской ветряк)

В последнее время виден значительный рост данной отрасли в США и Европе. Но даже несмотря на это, до сих пор нет четкого понимания о том, как сильно ветроэнергетика влияет на природу и животных.

Морская и гидрокинетическая энергия

Сила океана или морская и гидрокинетическая (MHK) энергия относится к следующим проектам:

  • Использование силы волн - ветровые волны имеют огромный запас энергии, которую можно направить на выполнение полезной работы - например, на выработку электроэнергии или перекачивание воды в водоемы;
  • Энергия приливов - специальные турбины размещаются в прибрежных и устьевых районах, где суточные потоки воды достаточно сильны и вполне предсказуемы;
  • Расположение турбин в быстроходных реках;
  • Океанские турбины в районах сильных морских течений;
  • Океанские тепловые преобразователи энергии в глубоководных тропических водах.

Данная отрасль активно развивается и старается использовать новые технологи для повышения эффективности работы установок. Так к примеру, на приливную электростанцию Nova Innovation в Шотландии установили батарейный блок Tesla Powerpack, тем самым была создана первая приливная станция с базовой нагрузкой. Аккумулятор позволяет запасать излишки энергии и выдавать их, когда турбины бездействуют.

Управляемый термоядерный синтез

Термоядерный синтез - один из самых лучших вариантов выработки энергии. Это довольно безопасная технология, которая выделяет недолго живущие ядерные отходы. Однако есть одно большое НО. Чтобы управлять реакцией, необходимо поддерживать температуру в миллионы градусов. Именно поэтому реальный термоядерный реактор еще не был создан.

Попытки создать коммерчески успешную станцию есть. В настоящий момент на юге Франции продолжается создание огромного термоядерного реактора ITER. Однако до сих пор у них не получилось выработать больше энергии, чем ушло на ее создание. Если вам хочется узнать больше об этом проекте, посмотрите это видео:

Внедрение альтернативной энергии

Альтернативная энергетика не может быть принята просто так. Чтобы ее стали широко использовать, должны быть решены некоторые проблемы. Прежде всего, необходимо понять и добиться:

  1. насколько полезны эти альтернативы;
  2. системы и технологии для данных источников должны стать более доступны;
  3. время окупаемости необходимо уменьшать.

Сейчас большую популярность имеют электрические и гибридные транспортные средства. Будет ли отрасль развиваться зависит от инвестиций в общественную инфраструктуру, от взимания платы, а также от внедрения большего числа альтернативных источников энергии для будущих перевозок.

Во многих странах покупка чистых электрических машин субсидируется государством, а владение загрязняющей воздух машиной облагается дополнительными расходами. В России на текущий момент есть лишь отдельные группы, которые борются за принятие EV, а на правовом уровне данную тему лишь иногда вспоминают.

Законодательство в России не предусмотрено для чистого транспорта, ведь многие электрические машины имеют под капотом большую мощь. К примеру, у Tesla Model 3, самого дешевого на текущий момент автомобиля американской компании, 258 лошадиных сил, а в России самая большая налоговая наценка для машин с мощностью двигателя больше 250 л. с. А ведь транспортное средство не производит вредных выбросов, почему владельцы должны платить больше, непонятно.

Исследования и проекты в области альтернативной энергетики

В академическом, федеральном и коммерческом секторах существует множество организаций, проводящих широкомасштабные передовые исследования в области альтернативной энергетики. Эти работы охватывают несколько областей данной сферы, основная часть которых направлена на повышение эффективности технологий и снижения стоимости производства.

В последнее время внимание многих крупных организаций направлена на альтернативную энергию, например в США это Сандийские национальные лаборатории и Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии. Обе организации получают деньги на свои нужды прямо от правительства страны в области энергетики, а так же от разных фирм-спонсоров.

Рост уровня расхода энергии прогнозирует, что к 2030 году потребление увеличится на 21%. Стоимость возобновляемых источников энергии дешевле примерно на 0,2 млн. долл. за 1 МВт. Это говорит о том, что их использование является отличным путем снижения затрат, к тому же не вызывающее проблем с окружающей средой.

Механическая энергия / сила человеческих мышц

Самый простой тип энергии - механическая. Она относится к такой деятельности человека как дыхание, ходьба, печатание и бег, вездесуща. К сожалению, обычно она просто теряется. Эта проблема привлекла огромное внимание исследователей со всего мира, которые пытаются найти методы для получения пользы от силы человеческих мышц.

Лучшим решением в настоящее время является использование пьезоэлектрических материалов, которые могут генерировать поток электронов при деформировании. Ключевую роль в производительности устройств на основе данной технологии играет пьезоэлектрическая постоянная материла. Вследствие этого, многие исследователи пытаются найти новый материал с большим пьезоэлектрическим показателем. Возможно, им окажется ниобат свинца-магния – титанат свинца (PMN-PT), представляющий собой пьезоэлектрический материал следующего поколения, который при достижении идеального состава и ориентации имеет сверхвысокое значение постоянной. В 2012 году даже были изготовлены PMN-PT-нанопроволоки с помощью гидротермического подхода, а затем собраны в единое устройство.

Многие пытаются задействовать механическую энергию для генерации чего-то полезного. Так в свое время в Лондоне появился тротуар, пройдя по которому, вы произведете некоторое количество электричества. Вот небольшой ролик об этом проекте:

А самым популярным решением использовать силу человека является выработка энергии при езде на велосипеде. На ютубе есть огромное количество видеозаписей о том, как сделать систему подзарядки для телефона на велосипеде своими руками, которую при желании можно с легкостью воспроизвести. Также есть умельцы, которые предлагают аналогичные решения, но для питания бытовых приборов. Таким образом, вы можете вырабатывать альтернативную энергию для дома без каких либо затрат, так еще и физическую форму подтяните. Вот один из таких примеров:

Солнечная энергетика

Солнечную энергию можно смело назвать самым массовым альтернативным источником. Она используется сразу несколькими путями: для отопления, кондиционирования или выработки электроэнергии.

Люди уже довольно давно научились использовать тепло солнца для нагревания необходимых объектов. Крупным примером централизованного теплоснабжения является уже упоминаемое нами солнечное сообщество Drake Landing Solar в Канаде: более 50 домов подключено к центральному теплоснабжению, которое использует тепло, создаваемое солнечными коллекторами на крышах сооружений и запасаемое в подземном термальном хранилище.

Если вам хочется понять, как работают солнечные коллекторы и узнать их эффективность, то вы легко можете найти множество видеозаписей на ютубе. К примеру вот довольно информативный ролик о производительности коллекторов зимой:

Что касается солнечной электроэнергии, то препятствиями для ее широкомасштабного внедрения называют недостаточную эффективность современных устройств преобразования света, а также высокую цену на них. На данный момент фотоэлектрические ячейки способны преобразовать около 17-20 % солнечного света.

В 2008 году сотрудники Массачусетского технологического института разработали метод хранения солнечной энергии, используя его для производства водородного топлива из воды. Такие работы нацелены на решение проблемы получения энергии в темное время суток, когда солнечные батареи бесполезны.

(новый фотоэлемент, вырабатывающий водород, помимо электричества)

В октябре 2018 года ученые из Германии и США сделали прототип необычного фотоэлемента. Так как огромное количество света просто-напросто не улавливается современными солнечными ячейками, они решили подключить к нижнему слою дополнительный электрод, который и будет отвечать за сбор водорода. Первый прототип сразу подтвердил теорию ученых и показал отличную эффективность. Принцип работы фотоэлемента показан на изображении выше.

(Изображение солнечной дороги в Китае)

Что касается проектов, то здесь тоже немало интересного. Например, Китай построил умную солнечную дорогу, которая будет заряжать электрические автомобили во время движения.

Внешность солнечных батарей тоже меняется. Многих людей раздражает видеть на домах уродливые и неказистые квадратные панели, которые абсолютно никак не вписываются в обстановку. Именно поэтому некоторые фирмы разработали специальные солнечные крыши, которые с привычной точки зрения ничем не отличаются от обычных. Самым популярным продуктом на данный момент является солнечная черепица Tesla, изображение которой можно найти ниже. На фото сразу становится заметно, как идеально вписывается крыша автопроизводителя в дизайн здания. Аналогичное решение предоставляет немецкая компания SolteQ. Принцип работы данной технологии на словах довольно прост, и его давно раскрыла Tesla, обнародовав свой патент. Кстати говоря, посмотреть, как выглядит Solar Roof вблизи, можно в нашей статье.

(Tesla Solar Roof - фото с официального сайта www.tesla.com)

Встроить фотоэлементы в транспортные средства давно пытаются многие компании. Например недавно Kia и Hyundai объединили усилия, чтобы создать солнечную крышу для зарядки батареи автомобиля.

Но куда интереснее проект Clean2Antarctica: голландская пара, ведущая образ жизни без вредных выбросов, решила доехать до южного полюса на машине, сделанной из пластиковых отходов и питаемая энергией солнца. В итоге, из их затеи получилась вот такая штука под названием Solar Voyager:

(Solar Voyager)

Автомобили это еще не все транспортные средства. Не будем забывать про машины в воздухе, ведь в этой области тоже есть интересные проекты. Например, SolarStratos - это электрический самолет компании SunPower, который может генерировать энергию с помощью солнечных элементов, тем самым поддерживая свою работу более 12 часов. Вот небольшой ролик, выпущенный производителем:

Если вам хочется собрать солнечную батарею своими руками для дома, то ютуб вам точно поможет в этом. Вот хороший пример простенькой сборки модуля:

Купить комплект солнечных батарей для дома можно на АлиЭкспрес, где цена панели на 100 Вт составит около 9 000 рублей.

Ветер

Начало 1970-х можно обозначить стартом исследований ветровой энергетики. Именно тогда американское космическое агентство NASA аналитическим путем создало модель уровня выработки электричества при мощных ветрах. В наши дни множество научных центров посвящают свои исследования данному направлению. Сандийские лаборатории выбирали разработку материалов, аэродинамики и датчиков в качестве основной траектории развития. Программы Национальной лаборатории возобновляемых источников сфокусированы на улучшении выработки электроэнергии комплексом ветряных установок, а также уменьшении затрат на реализацию проектов.

Вообще, многие разработки, в том числе и частные, направлены на поиск лучшей конструкции с точки зрения эффективности. Периодически появляются новые умельцы, которые утверждают, что их вариант наиболее полезный.

Как и всегда, у вас есть возможность собрать ветряк своими руками. На ютубе полно роликов, подробно рассказывающих о принципах построения такой установки, о том, сколько придется потратить времени и денег. Вот один из самых простых вариантов создания ветряка для частного дома своими руками из подручных средств:

Если же вам не хочется пачкать руки и заниматься конструированием, можно просто купить ветряк. Цены на ветрогенераторы сильно варьируются, потому что многие из них самоделки. Реальных производителей ветряков в России найти довольно трудно, так как в интернете огромное количество сайтов, которые продают генераторы из других стран, в основном Китая. На Авито можно купить б/у ветряк как за 20 000, так и за 300 000 рублей. Столь сильная разница цен в основном из-за уровня вырабатываемой мощности устройства. Купить ветрогенератор можно и на АлиЭкспрес, например агрегат на 800 Вт обойдется вам в 17 000 рублей.

В 2017 году возобновляемые источники, немалую долю которых занимает ветряная энергетика, обеспечили 25% мировых потребностей энергии.

Биомасса

К биомассе относится «биологический материал» в основном из растений. По большей части ее пускают на топку либо делают из нее биотопливо. На сегодняшний день древесина занимает основной процент от всей доли биомассы, куда входят любые древесные остатки: пни, ветки, опилки и даже городской мусор.

Другой взгляд на биомассу - это пустить ее как материал для создания биотоплива или любых других химических веществ. Получать биомассу в промышленных масштабах можно из многих типов растительных культур: конопля, сахарный тростник, кукуруза, бамбук и др.

(Принцип работы биогазовых установок и их эволюция)

Биомасса, биогаз и биотопливо сжигаются для производства тепла/мощности, а значит в атмосферу выделяются вредные вещества. Во время горения образуются серные и азотные загрязнители. Статистика Всемирной Организации Здравоохранения(ВОЗ) говорит о том, что ежегодно из-за загрязнения воздуха происходит 7 миллионов преждевременных смертей, а выбросы от горения биомассы - ключевая причина.

Однако стоит отметить, что применение биоматериалов относительно нейтральное действие, так как исходный источник все равно разложатся до углерода. Но с другой стороны, процесс использования ничем не отличается от сжигания традиционных ископаемых материалов .

Биотопливо из этанола

Этанол является основным источником биотоплива в Северной Америке, и поэтому многие организации проводят тесты в этой сфере. На федеральном уровне Министерство сельского хозяйства США делает большое количество исследований в области создания биоматериала. Большая часть из них направлена на определения влияния создания этанола на уровень производства продуктов на различных рынках.

Национальная лаборатория по возобновляемым источникам энергии провела различные исследовательские проекты связанные с целлюлозным этанолом. Оказалось, что у него куда больше достоинств, чем у традиционного на кукурузе. Целлюлозный вид напрямую не конфликтует с продовольствием, потому что его выделяют из древесины, не съедобных растений или отходов от съедобных. К тому же, разные тесты говорят о том, что целлюлозный этанол более выгоден и устойчив, чем этанол на основе кукурузы.

Другие виды биотоплива

В конце 20 века, на протяжении более 15 лет Национальная лаборатория по возобновляемым источникам энергии пыталась найти эффективные способы применения водорослей для производства биотоплива. Майкл Бриггс в своей статье делится мыслями и цифрами о реалистичности применения в машинах только биологического топлива на основе водорослей с большим содержанием природного масла. Именно такие растения, по словам автора, можно успешно выращивать в специальных водоемах, откуда затем извлекать их и превращать в биотопливо, причем высушенный остаток дополнительно перерабатывается для получения этанола.

Добыча богатых маслами водорослей с дальнейшим созданием биотоплива еще не проводилась в коммерческих масштабах, но были проведены технико-экономические исследования для проверки урожайности. К тому же, в отличие от биотоплива на основе растительных культур, данный способ не влечет за собой снижения уровня продовольствия, поскольку для его процессов не требуются ни пахотные земли, ни что-либо другое из сельского хозяйства.

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия вырабатывается путем попадания тепла в земную кору, и поскольку этот процесс происходит постоянно, энергия считается устойчивой. Однако наука о получении пользы из геотермальных источников находится только в начале своего пути и сейчас развивает экономическую жизнеспособность. Некоторые организации проводят исследования в целях создания доказательной базы о рентабельности данной области. Исследованиями в сфере геотермальной энергии занимаются такие известные учреждения как Международный центр геотермальных исследований (МКГР), исследовательская организация Германии по геонаукам и некотрые другие.

Водород

США потратило огромные суммы денег на водород. И Национальная лаборатория, и Сандийские лаборатории, упоминаемые выше, занимаются разработками в данной сфере. Большая часть проектов сфокусирована на способах запасания материалах, а также использовании водорода в качестве топлива.

Недостатки

Широкое распространение альтернативной энергетики, вероятно, проявит и свою отрицательную сторону. С каждым годом потребности в энергии будут только расти, а в конце столетия спрос вырастет в десятки раз. Чтобы удовлетворить такие желания, придется увеличивать объемы действующей энергетики, к тому же нельзя забывать о чистоте окружающей среды. Тогда, если рассмотреть отдельно, допустим, биотопливо, то станет понятной назревающая проблема. Данный источник энергии получают из растений, а значит в будущем придется расширить масштабы плантаций также в десятки раз для удовлетворения спроса.

Чтобы удовлетворить текущие потребности всего населения Земли с помощью чистого растительного топлива, необходима 1/10 суши. На данный момент это все земли, задействованные в сельском хозяйстве нашей планеты. Если вспомнить об уровне голода в мире, выращивание растений в целях получения биотоплива будет отбирать пищу у уже и так голодающей части населения.

Несмотря на то, что биотопливо отличается от ископаемого топлива в отношении чистых парниковых газов, оно все равно похоже на него тем, что способствует загрязнению воздуха. При сжигании биотоплива в любом случае образуются частицы углерода, оксид углерода и оксиды азота.

Текущие экологические проблемы, такие как миграция рыб, разрушение чувствительных водных экосистем и т. д., затрудняют строительство новых плотин для сбора гидроэлектроэнергии.

Ветровая энергия в огромных масштабах, скорее всего, столкнется с общественным сопротивлением. Если бы 100% спроса на энергию в США приходилось на данный источник, то пришлось бы покрыть ветровыми турбинами более 40% всех доступных сельскохозяйственных угодий страны. Не будем забывать, что установки имеет высоту в 50 м, а их расстояние друг от друга составляет от 250 до 500 метров. Поэтому неудивительно, что основная часть ветровой энергетики связана с владением землей. Да и маловероятно, что общественность будет терпеть огромные ветряные мельницы, учитывая их шум и эстетику лопастей, если только они не расположены вдалеке

0