Альтернативные источники энергии: что это, виды, есть ли в России

Что такое альтернативная энергетика

По возможности быстрого получения в естественной среде энергоресурсы делятся на невозобновляемые и возобновляемые.

К невозобновляемым ресурсам относится ископаемое топливо (нефть, уголь, природный газ), которое образуются гораздо медленнее, чем потребляется.

Определение возобновляемых ресурсов довольно расплывчато. К этой группе относят различные энергетические источники (не только органические ресурсы, но и природные явления), обновление которых происходит быстрее, чем потребление, или вообще от него не зависит:

• биотопливо, получаемое из органических промышленных отходов, растительного и животного сырья, продуктов жизнедеятельности организмов;
• гидроэнергия – это энергия движения воды, которую преобразуют сначала в механическую, а затем – электроэнергию;
• альтернативные источники энергии – это понятие, которое объединяет все остальные, а именно нетрадиционные энергоресурсы.

Альтернативная энергетика – это совокупность перспективных нетрадиционных методов извлечения энергии (в основном, из возобновляемых источников – ВИЭ), а также ее передачи и применения.

Ядерная энергетика держится особняком, поскольку скорость образования урана в естественной среде пока не определена, а предполагаемых запасов на Земле гораздо больше, чем мы в состоянии добыть и переработать в осязаемом будущем.

Виды альтернативных источников энергии

Кинетическая энергия ветра

Люди начали использовать ветряные потоки задолго до открытия электричества. Более двух тысячелетий назад с помощью ветра жители Персии качали воду и мололи зерно, а египтяне управляли папирусными лодками на реке Нил.

В 1887 году в Шотландии была создана первая ветряная турбина для генерации электроэнергии. Сооружение высотой 10 метров обеспечивало светом всего один дом.

Сегодня общая мощность всех установленных ветрогенераторов составляет более 700 гигаватт. Для сравнения: 25 электростанций Московской области выдают 5 593,6 мегаватт (по состоянию на 2021 год).

Ветряные электростанции нередко становятся основным источником электрического тока на территориях, не обладающих подходящими для строительства ГЭС водными ресурсами и рельефом

Ветрогенератор или ветроэлектрическая установка (ВЭУ) – это устройство для конвертации кинетической энергии ветрового потока в механическую, а затем – в электрическую.

Визуально конструкция напоминает гигантский вентилятор. Поток ветра заставляет лопасти крутиться. Они приводят в движение внутренний вал, соединенный с редуктором, который, в свою очередь, вращает ротор генератора. Так вырабатывается трехфазный переменный ток. Путем нескольких преобразований с помощью контроллера, аккумуляторных батарей и инвертора (устройства для трансформации постоянного тока в переменный с сопутствующей корректировкой напряжения) он приобретает характеристики, необходимые для работы электроприборов.

Мощность ВЭУ зависит от скорости ветра, поэтому наиболее эффективны ветровые электростанции, расположенные в прибрежных зонах.

В Совкомбанке можно оформить кредит наличными на любые цели до 5 млн рублей со ставкой от 6,9%. Выберите удобную программу и рассчитайте ежемесячный платеж на кредитном калькуляторе. Деньги нужны срочно? Достаточно паспорта и любого второго документа. Нужна крупная сумма? Вы можете взять кредит под залог автомобиля или недвижимости. Заполните заявку на сайте и получите быстрое одобрение. Есть доставка!

Электромагнитное излучение Солнца

Первые упоминания об использовании концентрированных солнечных лучей относятся к двухсотым годам нашей эры – с их помощью зажигали священный огонь у греческих храмов.

Сейчас солнечные установки применяются для опреснения морской и минерализованной воды, сушки сельхозпродуктов, нагрева воды в системах отопления, при охлаждении зданий с помощью испарения различных веществ, а добыча электричества из солнечного излучения считается самой перспективной альтернативой традиционной энергетике.

Основой солнечных батарей являются тонкие кремниевые пластины (толщиной всего 180 микрон или 0,18 мм). На слои фотоэлементов попеременно нанесены фосфор и бор. В слое кремния с добавками фосфора возникают свободные электроны, а в слое с бором некоторые электроны отсутствуют – образуются так называемые «дырки».

Попадая на поверхность батареи, кванты света вызывают движение частиц из одного слоя в другой – так и возникает электрический ток.

Солнечные батареи используются не только на земле, но и в космосе, и являются самым надежным вариантом обеспечения космических аппаратов электричеством

Движение воды в океанах и морях

Силу приливов люди «приручили» относительно недавно. Первая электростанция, на которой использовали это природное явление, была построена в 1913 году неподалеку от Ливерпуля (Англия).

Во время приливов и отливов водные потоки вращают колеса подводных устройств, запуская при этом генераторы, которые преобразуют механические движения в электрический ток – так можно кратко описать работу приливной электростанции (ПЭС).

Лучшим местом для энергоизвлечения данным способом являются морские побережья с крупными замкнутыми бассейнами, поскольку в этом случае перепад уровня воды между приливом и отливом может достигать более четырех метров.

Тепло горячих источников

Энергия в воздухе, свете, воде… А еще она буквально у нас под ногами! Нарастающий дефицит топлива заставляет человечество использовать все возможные ресурсы, в том числе внутреннее тепло Земли.

Вращение турбины нагретым в котлах паром – самый распространенный способ получения электроэнергии. Но зачем греть воду, если горячую жидкость или готовый пар можно взять прямо из недр нашей планеты?

Первая в мире геотермальная электростанция (ГеоЭС) начала работать в 1911 году в Итальянской коммуне Лардерелло и функционирует по сей день.

Глубинные подземные воды имеют высокую температуру и давление, под воздействием которых в виде газа выходят наружу через скважины. Затем по трубам пар направляют в турбины, он заставляет их крутиться, что приводит в действие электрогенератор.

Солнечная энергетика

По экономическим, экологическим, ресурсным критериям, а также по показателям безопасности солнечная энергия в ряду альтернативных источников занимает одно из первых мест, ее использование имеет долгосрочную перспективу.

Замечание 1

Подсчитано, что объем солнечной энергии, поступающей в течение трех дней на территорию РФ, превышает объем энергии, сопоставимый с выработкой электроэнергии в масштабах страны за год.

К преимуществам солнечной энергетики относятся: возобновляемость, огромный потенциал, неисчерпаемость, доступность, бесшумность, экономичность, небольшие расходы при эксплуатации. Особенно важно, что производство и использование солнечных электростанций сопровождается минимальными (почти что нулевыми) по сравнению с традиционными источниками энергии выбросами в природную среду.

Энергия ветра

Ветровые электростанции – перспективный способ получения энергии, особенно в тех местах, где направление ветра постоянно.

«Нетрадиционные источники энергии» Готовые курсовые работы и рефераты Купить от 250 ₽ Решение учебных вопросов в 2 клика Найти эксперта Помощь в написании учебной работы Узнать стоимость

Способ получения такой энергии не загрязняет природную среду. Однако прослеживается зависимость от непостоянства направлений и силы ветра. Хотя эту зависимость есть возможность частично сгладить установкой маховиков и разнообразных аккумуляторов.

Но строительство, содержание, ремонт ветровых электростанций обходится недешево. К тому же эксплуатация их сопровождается шумом, мешает птицам и насекомым, отражает радиоволны вращающимися частями.

Энергия воды

В структуру гидроэнергетики, использующей энергию водных ресурсов, входят гидроэлектростанции, малые гидроэлектростанции, приливные электростанции, волновые электростанции.

Для работы гидроэлектростанций необходимо сооружение плотины и водохранилища (гарантия обеспеченности водой). Основное преимущество гидроэнергетики – использование возобновляемой энергии.

Эксплуатация гидроэлектростанций не загрязняет природную среду, однако под водохранилища отчуждаются земли (часто плодородные). Плотины часто перекрывают рыбам путь к нересту.

Гидротермальная

Это энергия температурного градиента, когда электричество вырабатывается за счет разницы в температуре воды на поверхности и в глубине океана.

Впервые начали применять такой способ еще в начале ХХ века. На данный момент гидротермальные электростанции есть в США и Японии.

Жидкостная диффузия

Это новый тип АИЭ. Пока есть всего одна электростанция, работающая на жидкостной диффузии. Находится она в Норвегии.

Работает по следующему принципу: в основание водного потока устанавливают механизм, разделенный на два отсека мембраной. В нем смешиваются соленая и пресная вода. Частицы пресной воды из одного отсека стремятся перейти в другой, чтобы уравнять концентрацию соли. Проходя через мембрану, они увеличивают давление в резервуаре, что вращает гидротурбину, которая вырабатывает электроэнергию.

Волновая энергетика

Процесс выработки электричества из волн происходит в результате преобразования энергии прилива. В основе большинства электростанций такого типа находится бассейн, который организуется или в ходе отделения устья реки, или за счет перекрытия залива плотиной. В образованном барьере устраиваются водопропускные отверстия с гидротурбинами. По мере изменения уровня воды во время приливов происходит вращения турбинных лопастей, что и способствует выработке электричества. Отчасти этот вид энергетики схож с принципами работы гидроэлектростанциями, но сама механика взаимодействия с водным ресурсом имеет существенные отличия. Волновые станции могут использоваться на побережьях морей и океанов, где уровень воды поднимается до 4 м, позволяя вырабатывать мощность до 80 кВт/м. Недостаток таких сооружений связан с тем, что водопропускные сооружения нарушают обмен пресной и морской воды, а это негативно сказывается на жизни морских организмов.

Водородная энергетика

Водородная энергетика, интерес к которой возрос за последнее время, основана на использовании водорода в качестве топлива.

Очевидно преимущество выбора водорода в качестве энергоносителя: экологическая безопасность (продукт его сгорания – вода), он не токсичен, не представляет опасности для человека и животных.

К недостаткам относятся:

• получение вещества с затратой иных энергоносителей – нефти, газа, электричества,
• высокая угроза образования взрывов – главный аргумент противников водородной энергетики.

Замечание 2

Следуя современным технологиям, возможно получать качественное топливо, имеющее высокий коэффициент теплоотдачи. Перспектива за разработкой проектов современных водородных электростанций и установок на топливных элементах.

Геотермальная энергетика

Источники геотермальной энергии используют неисчерпаемый источник — внутреннее тепло Земли.

Существует несколько рабочих схем, не меняющих суть процесса. Природный пар очищают от газов и подают в турбины, вращающие электрогенераторы. Подобные установки работают по всему миру. Геотермальные источники дают электричество, греют целые города и освещают улицы. Но мощность геотермальной энергетики использована очень мало, а технологии получения имеют низкий КПД.

Интересный факт! В Исландии более 32% электричества добывается с помощью термальных источников.

Биомассовая энергетика

Процесс разложения биомассы приводит к выделению газа имеющим в своем составе метан. Очищенным, он используется для выработки электроэнергии, обогрева помещений и других хозяйственных нужд. Существуют небольшие предприятия, полностью обеспечивающие свои энергетические потребности.

Применение в мире

Сегодня наибольшее распространение АИЭ получили в Европе. Некоторые европейские страны вырабатывают до 40% от общей энергетики с их помощью.

Суммарно в Германии ветряки питают около 20% страны, а через 30 лет планируется достичь планки 80%

Жители этих стран, решившие перейти на АИЭ, могут рассчитывать на определенную поддержку — скидки на подключение и возврат средств за приобретение оборудования. Поэтому все больше людей устанавливают солнечные батареи себе на крыши для экономии.

Россия

В России АИЭ пока развиваются не слишком быстро. Во многом это связано с недостатком инвестиций в отрасль и тем, что АИЭ еще не полностью утверждены законодательно. Разные климатические условия регионов страны тоже не способствуют равномерному росту.

Наиболее распространенные АИЭ — гидроэлектростанции (примерно 20% от всей энергии страны) и биотопливо (Россия — в тройке ведущих экспортеров мира). Остальные виды встречаются не так часто и лишь изредка преодолевают планку в 1% от общего числа.

Но несмотря на это, последние годы Россия делает большие шаги в сторону развития АИЭ. Например, совсем недавно Совкомбанк присоединился к климатической инициативе ООН Climate Neutral Now, чтобы повысить прозрачность отчетности и поддержать цели организации по сокращению углеродных выбросов.

Состояние окружающей среды постоянно ухудшается, поэтому люди вынуждены искать новые, более чистые источники энергии. Сравнительно недавно многие страны Европы только начали внедрять АИЭ, а сегодня некоторые из них уже приблизились к состоянию полного перехода на возобновляемые источники. Радует, что Россия пусть и медленно, но движется в верном направлении.

Проблемы использования альтернативы

Альтернативные ресурсы условно неиссякаемы, но при этом они еще и не стабильны. Для работы ветрогенераторов нужен ветер, для солнечных батарей – свет, для работы ПЭС и ГеоЭС нужна определенная природная среда – это одна из ключевых причин, по которой мы пока не готовы отказаться от традиционной энергетики.

Второй аспект, который нельзя не учитывать, – экономический. Альтернативы менее эффективны. Если описать проблему кратко: для производства электричества необходимой мощности на ветряных электростанциях должно быть значительное количество турбин, аккумуляторы и солнечные батареи – все это стоит немалых средств.

Кроме того, для установки, например, кремниевых батарей нужны достаточно большие площади, а ветряки не только создают ощутимый шум, но и производят инфразвук, который может негативно влиять на нервную систему и человеческий организм в целом – вряд ли кто-то захочет жить с ними по соседству. К недостаткам геотермальных электроустановок относится риск пробуждения сейсмической активности.

Несмотря на свою экологичность в сравнении с традиционными способами энергодобычи, прогрессивные методы все же не совсем безобидны. Птицы часто попадают в лопасти ветряков, а в радиусе работы солнечных электростанций только в США ежегодно погибает от 38 до 138 тысяч пернатых (точные причины этого явления не установлены).

Как можно постепенно переходить на альтернативу

При текущем уровне потребления доказанных запасов нефти и газа человечеству хватит на 40–45 лет. За этот короткий срок мы должны научиться полностью обходиться без традиционного топлива. Это особенно актуально для стран, у которых нет собственных запасов углеводородов.

Россия с ее огромными территориями, разнообразием климатических зон и рельефов обладает высоким потенциалом для перехода на ВИЭ, и начало этому положено:

• с 2009 года в нашей стране действует программа поддержки развития нетрадиционной энергетики, которая гарантирует инвесторам сектора полный возврат средств и доходность от вложений;
• только за последние три года построено около 20 ветропарков и более 10 солнечных электростанций;
• в 2021 году в законодательство внесены поправки, позволяющие физическим лицам устанавливать солнечные панели у себя дома и продавать излишки электроэнергии по договору.

Для обеспечения дальнейшего распространения, функционирования и повышения самостоятельности отрасли, привлечения инвестиций продолжается работа по снижению затрат на оборудование за счет импортозамещения и популяризации «зеленой» энергии.

Достоинства и недостатки

Главное достоинство АИЭ — они позволят человечеству существовать даже в условиях острой нехватки ископаемого сырья, которая может наступить сравнительно скоро. Но и недостатков тоже хватает.

Как вам статья?

Павел

Бакалавр "210400 Радиотехника" – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Написать

Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы