Возобновляемые источники энергии в регионах Российской Федерации: проблемы и перспективы. Примеры использования возобновляемой энергии

Возобновляемые или так называемые альтернативные источники – большой шаг вперёд в энергообеспечении человечества. Единственный недостаток – дороговизна внедрения. Окупаемость для инвестора покрывается за несколько лет. Данные технологии за последний век набрали больших оборотов, и сейчас покрывают около 20% потребляемого.

Итак, возобновляемые источники – это природные ресурсы, способны к быстрому восстановлению естественным путём.

Резервуар для производства биогаза, фотоэлектрические панели и ветрогенератор

К ним относят:

• солнечный свет
• приливы и отливы (косвенное использование силы притяжения луны)
• энергия волн
• ветер
• водные потоки
• геотермальная теплота

Солнечный свет

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

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

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

Самая большая солнечная электростанция в Мохаве

Позитивной цепью является:

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

Негативная сторона:

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

Полный процесс изготовления панели своими руками

Приливы и отливы воды

Это очень мощный, неисчерпаемый источник. В своё время ещё Жюль Верн интересовался применением этого природного явления, а изобретательные англичане строили мельницы на берегах движущихся вод, в далеком 11 веке нашей эры. Переработка с помощью силы притяжения Солнца и спутника земли Луны непростая задача и имеет много трудностей. Несмотря на постоянность силы притяжения космических тел, выбор места для постройки приливной электростанции – сложный. В нём учитывается и кратность приливов/отливов за сутки, высота подъёма (колеблется от 30см. до 15м.), почва, на которой будет сооружена постройка.

Ещё одной интересной особенностью есть несовпадения лунных суток с солнечными. Лунные сутки на 50 минут меньше, а люди живут по ним 24 часа. В результате получаются несовпадения по времени с самым максимальным и минимальным вырабатыванием и её потребление, во время самой активной деятельности человека.

Сама приливная электростанция устроена довольно просто. Наперекор устьям большой реки впадающей в море/океан, возводится дамба. Сооружение полностью перекрывает движение в обе стороны. В отверстиях дамбы устанавливают огромные лопасти, которые под током пропускают её и крутятся, а генераторы выдают электричество.

Несмотря на большие сложности с установкой системы, она довольно успешно используется по всему миру. В связи с высокой эффективностью и малым влиянием на экологию, человечество продолжает наращивать их количество по всему земному шару.

ПЭС

Приливная электростанция (ПЭС) - особый вид гидроэлектростанции, использующий 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. Колебания уровня воды у берега могут достигать 18 метров. 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.

Взято из Википедии, подробнее https://ru.wikipedia.org/wiki/Приливная_электростанция

Энергия волн

За своей природой схожа с приливами и отливами. Для извлечения из волн существуют –волновые электростанции, работа основана на превращении кинетической энергии волн в электрическую.

Морской змей – такое название имеет рабочее приспособление. Состоит оно из секций, между которыми закреплены гидравлические поршни. Внутри каждой секции также есть электрогенераторы и гидравлические двигатели.

Волнообразные движение колеблет все эти соединений и приводит в работу гидравлические поршни, те, в свою очередь, приводят в движение масло. Масло пропускается через гидравлические двигатели. Эти моторы приводят в движение электрические генераторы что и даёт конечный результат, производит электроэнергию. Большой недостаток – нестойкость механизма к штормовым волнам.

Ветер

Ветер – старый, проверенный и надёжный источник возобновляемой энергии. Люди его использовали задолго до введения термина в парусных кораблях и ветряных мельницах.

Сейчас, в силу развития технологий, ветрогенераторы стали достаточно сильной фигурой на рынке и занимают крепкую позицию в своей нише. Конкурентность между производителями заставила их хорошо вложиться в исследования наиболее оптимального ветрогенератора.

Ветроэнергетика

Для оптимальной работы ветряка учитываются такие факторы:

1. высота над уровнем моря или земли. Как известно зона до двух километров турбулентна, воздушные потоки, располагаемые выше сильно тормозят нижние. Но эффект заметно снижается уже на высоте 100 метров. Плюс, расположения ветряка выше 100 метров позволит увеличить длину лопасти и освободить пространство под устройством для деятельности людей и других коммуникаций
2. расположение. Оптимальный вариант – побережье или море. Интересный факт! Сейчас появилась офшорная ветроэнергетика. Некие группы людей строят в морях и океанах ветряные электростанции, а на побережья проводят провода подачи тока, тем самым укрываясь от налогов
3. скорость ветра. Характеристика высчитывается по среднему показателю по региону. Ветряк начинает работать при скорости ветра 3 м/с, а при скорости свыше 25 м/с идет аварийное его отключение, дабы не повредить устройство. Оптимальная скорость – 15 м/с
4. количество лопастей. В процессе исследований было определено, что три лопасти – самый эффективный вариант.
5. Ось вращения

Водные потоки

Употребление водных потоков как возобновляемых источников очень широко распространено по всему миру. Гидроэнергетика это часть хозяйственно-экономических коммуникаций основана на расходе энергии падающей воды и превращения её в электрическую.

Для осуществления задачи используют плотинную схему или деривационную схему. Основа её заключается в создании огромной плотины для напора больших водных масс. Деривационная схема использует меньшее количество воды, и основана на искусственном отводе русла от реки в деривацию, а напор создаётся за счет разности наклонов этих двух элементов.

Преимущества:

Недостатки:

• смена климата в месте водохранилища
• затопления огромных участков земли пригодных для жизни и земледелия
• уничтожение огромных участков налаженной экосистемы
• уничтожения мест гнездования перелетных птиц
• изменение характеристик (в следствии замедления тока, на дне водоёма накапливаются вредные вещества)

Геотермальная теплота

Это ответвление, основанное на производстве тепла, за счёт содержащейся в недрах земли энергии, на геотермальных станциях. Относительно молодой вид добычи. Для производства с помощью геотермальной теплоты используют сейсмически нестойкие регионы, в которых циркулирующие подземные воды нагреваются выше температуры кипения за счёт лавы. Пар и вода поднимается по трещинам к поверхности земли и проявляется в виде гейзеров. Также для доступа используют глубокое бурение скважин.

Такая вода и пар пригодны как для переработки, так и для прямой подачи горячего снабжения для нужд населения. Большой плюс в использовании геотермальных источников – это неиссякаемость и независимость от погодных условий и времени года. Минусом же есть сильная загрязнённость токсическими веществами(такими как, фенол, мышьяк, кадмий, цинк, свинец, бор, аммиак).

Геотермальная энергетика

Схожий вид добычи – петротермальная энергетика. С каждым углублением в недра земли на 100 метров температура поднимается в среднем на 2.5 °С, и при достижении 5 км. Достигает отметки в 125 °С. Для реализации вопроса добычи тепла с помощью этого факта, сверлятся две глубокие скважины. В одну из них закачивается вода, которая нагревается и через смежный проток поднимается по другой. Сейчас представленный вид экспериментальный, решается вопрос в его рентабельности.

Природа нам дала огромный запас ресурсов, нам лишь осталось правильно ими распоряжаться. Их преимущество над классическими – это экологичность.

В последние десятилетия использование возобновляемых источников энергии все чаще становится темой различных научных исследований, совещаний, ассамблей. Люди приходят к пониманию, что добывая для себя ресурсы, мы наносим необратимый вред планете. А с развитием технического прогресса энергии для человечества требуется все больше и больше. Если еще пару десятилетий назад экспериментальные установки, преобразующие энергию ветра или солнца в электрическую и тепловую вызывали саркастические улыбки, то сейчас эти ресурсы уже получили распространение и стали вполне обычным явлением.

Но далеко еще не все знают, что в конструкциях многих современных приборов используются технологии, использующие нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. К примеру, производители компании Bosh производят котлы отопления и ГВС, создали несколько моделей, которые подсоединяются к солнечным коллекторам. В результате этого шага КПД котлов возрос на 110%. Получается, что атмосфера получает намного меньше вреда в виде продуктов сгорания природного газа, а люди получают существенную экономию, благодаря уменьшению потребления газа, следовательно, и оплаты за него.

Польза от экономичных приборов, работающих на возобновляемых источниках энергии понятна, и теперь перед учеными и промышленниками стоит главная задача – провести максимально обширную информационную компанию, которая бы привела человечество к выбору экологичных технологий.

Что такое возобновляемая энергия

Возобновляемая энергия носит еще несколько названий. Это «регенеративная энергия» и «зеленая энергия», то есть энергия, которую вырабатывается природными источниками, и ее добыча совершенно не вредит окружающей среде. Запасы такой энергии неисчерпаемы, размеры их неограниченные, если судить по меркам человечества.

Соотнести обозримое будущее людей и, к примеру, срок жизни солнца, совершенно невозможно. Буквально недавно ученые обнародовали выведенную ими цифру лет, после которой солнце совершенно погаснет. Это 5 миллиардов лет. Очень хочется верить, что жизнь на Земле будет процветать все это время, и что люди будут жить и здравствовать. Но уже сейчас можно предположить, что число людей на планете будет расти, как и сейчас. Для них нужны будут дешевые энергетические ресурсы. Возобновляемые энергетические технологии будут в этом вопросе единственным выходом при условии сохранения планеты, ее богатств животного и растительного мира, климатического разнообразия, ландшафтных красот, чистого воздуха, воды, земли и недр.

Именно поэтому так широко приветствуются уже сейчас технологии получения энергии при помощи ветра, солнца, дождя, геотермальных источников, рек, морей и океанов и пр. Все это возобновляемые источники энергии. Сколько бы человек не пользовался такой энергией, она никогда не иссякнет. Ветер всегда будет дуть, вызывая приливы и отливы, реки всегда будут своей мощью крутить лопасти гидротурбин, солнечные коллекторы будут обеспечивать тепло в жилых домах и больших учреждениях.

Энергоэффективность и энергосбережение в России

Эти два направления входят в общий стратегический план развития России, обозначены они были еще в 2010 году. Государству действительно выгодно, чтобы возобновляемые источники энергии в России действительно применялись. Если завод будет потреблять дешевую и легко получаемую энергию, то снизится себестоимость продукции. При этом снизится цена на товар в магазине, создав сокращение социальной напряженности, и увеличится общая прибыль предприятия. А это значит, что будут созданы новые рабочие места, будут развиваться новые технологии и существенно вырастет уровень средств, перечисляемых предприятием в виде налогов.

Если частный владелец жилья перейдет на потребление возобновляемой энергии, то государству от этого шага опять-таки будет большая польза. Он, во-первых, приобретет новейшее оборудование, что стоит недешево в настоящее время. Во-вторых, человек не будет требовать подвести к его жилью центральные коммуникации. И в третьих, воздействие на экологию сократиться до минимального, следовательно, государство потратит намного меньше средств на природоохранные мероприятия.

Мотивы в масштабе всей России понятны, осталось самое трудное — научить российских граждан рассуждать не только, исходя из собственных затрат, но и с позиций сбережения природных ресурсов. Необходимо донести до населения, что возобновляемые и невозобновляемые источники энергии могут по-разному влиять не только на благосостояние, но и на здоровье и продолжительность жизни нации.

Нефть, газ, торф, каменный уголь – все это ресурсы привычные, эффективные, но невозобновляемые. Да, если рассматривать вопрос с позиции ныне живущих и даже их детей и внуков, то на наш век всего этого хватит. Но загрязнение атмосферы происходит в большей части именно продуктами сгорания этих ресурсов, а болезни от грязного воздуха (астмы, аллергии, иммунная недостаточность, болезни сердца, рак и пр.) – это уже проблема ныне живущих.

Использование возобновляемых источников энергии не только удешевляет добычу и потребление, но и очищает атмосферу, улучшает наше здоровье. И в этом тоже огромная выгода для государства, ведь здоровое общество – гарант высоких показателей экономики, достижений науки, культуры и искусства и пр.

Ученые отмечают, что в нашей стране огромный потенциал для развития использования энергосберегающих технологий. Мы можем добиться показателя в 40% от всего количества потребления энергии. То есть 40% энергии будет производиться с помощью возобновляемых источников. Это 400 миллионов т.у.т. Для справки: 1 т.у.т. – это теплота сгорания 1 килограмма условного топлива. То есть мы можем заменить альтернативными источниками 400 миллионов килограмм топлива в год, дорогостоящего и дающего вредные выхлопы. Такова возобновляемая энергия в России, а если говорить о мире в целом, то этот показатель составляет 20 миллиардов т.у.т. в год! Это более половины всего топливного и энергетического ресурса.

Российское правительство разработало ряд документов, которые определяют регламент работы по внедрению у нас энергоэффективных технологий. Рассчитано их действие до 2030 года.

Очень интересно мнение экономических аналитиков на тему внедрения в России технологий с использованием возобновляемых источников энергии. Они заметили, что поводом для использования крупными бизнес-субъектами новейших разработок, производства экологичных приборов, имеет два мотива. Первичен мотив экономический. Если технология приносит прибыль производителю или пользователю, то она используется и внедряется. А вот улучшение экологии всегда является вторичным мотивом, про него вспоминают только тогда, когда успешно получена прибыль. Менталитет, что поделать!

Возобновляемые источники энергии: мировые тенденции

В этом направлении поражает очень интересная тенденция – наиболее сильно развиваются и применяются все виды возобновляемых источников энергии в развивающихся и небогатых странах. Они, конечно, не приблизились к цифрам затрат передовых стран, но по темпам развития опережают, и достаточно уверенно.

В 2012 году были созданы и получили развитие проекты по возобновляемым технологиям в 138 странах. И две трети от этого числа – развивающиеся страны. Неоспоримым лидером среди них является Китай, в 2012 году он увеличил получение электричества из солнечной энергии на 22%, по государственным расценкам «из солнца» было получено 67 миллиардов долларов! Так же резкий рос развития энергоэффективных и экологичных технологий произошел в Марокко, в Южной Африке, Чили, Мексике, Кении. Блестящих результатов в своих регионах добились Ближний Восток и Африка.

ООН отметила, что благодаря такому эффективному росту был обеспечен доступ всех стран к современным энергетическим услугам, были удвоены темпы повышения эффективности использования альтернативной энергии на Земле, и появилась очевидная вероятность того, что к 2030 году альтернативная энергетика обгонит стандартную.

В развитых странах предпринимаются ряд мер, которые позволяют ускорить процесс строительства установок для получения возобновляемой энергии. В Японии, к примеру, тем, кто устанавливает солнечные батареи, положены льготные тарифы и субсидии на строительство и установку.

Гидроэлектростанции

В этих сооружениях электричество вырабатывается за счет энергии падающей воды. Поэтому строят такие объекты на реках с большим течением и перепадами в уровне на местности. Кроме того, что река никогда не перестанет течь, выработка энергии не приносит никакого вреда окружающему пространству. Мировое сообщество получает таким способом до 20% от всей электроэнергии. Лидеры в этой отрасли – страны, где протекает большое количество многоводных рек: Россия, Норвегия, Канада, Китай, Бразилия, США.

Биотопливо

Биотопливо – это самые разнообразные виды возобновляемых источников энергии. Это отходы различных производств: деревообработки, сельского хозяйства. Да и просто бытовой мусор является ценным источником энергии. Также в выработке альтернативной энергии используются мусор со строительства, от вырубки леса, от производства бумаги, от фермерских хозяйств, мусор с городских свалок и там же вырабатываемый естественным образом метан.

В последнее время в прессе все больше появляется информации, что топливом становятся такие источники, которые ранее даже предположительно ими быть не могли. Это навоз с ферм, это перегнившая трава, это растительное и животное масло. В продукты переработки этих источников добавляется немного дизельного топлива, и далее используется по назначению – для заправки автомобилей! Выхлопы такого топлива во много раз менее токсичны, что особо важно в мегаполисах. Сейчас уже ученые ведут разработку рецептуры и технологии производства биотоплива без добавления дизельного.

Ветер

Технология ветряных мельниц известна издревле. И только в 70-х годах прошлого века люди стали придумывать ветряки в качестве источников альтернативной энергии. Были созданы первые ветряные электростанции. Уже в 80-е годы XX века в селах стали появляться целые ряды генераторов, преобразовывавшие в электрическую энергию ветра. Сейчас лидируют по числу таких электростанций Германия, Дания, Испания, США, Индия и все тот же самый прогрессивный Китай. Отличительная особенность установки таких сооружений – их совсем не низкая себестоимость. Окупается ветряк не очень быстро, и строительство ветряных станций требует первоначальных инвестиций.

Геотермальная энергия

Геотермальные электростанции работают на тепле природных горячих источников, они его преобразовывают в электрическую энергию и снабжают жилые помещения близлежащих населенных пунктов горячей водой. Первая такая электростанция была пущена в эксплуатацию в Италии в 1904 году. Причем работает она до сих пор и довольно успешно! Сейчас такие станции построены в 72 странах мира, лидируют здесь США, Филиппины, Исландия, Кения, Россия.

Океан

Приливы и отливы в прибрежных зонах океана настолько сильны, что своим течением они способны выработать довольно большое количество энергии. Плотиной разгораживаются верхний и нижний бассейны, при движении воды вращаются лопасти турбины, которая приводит в действие генератор электричества. Схема проста, как и все, что связано с возобновляемыми источниками энергии. На планете всего 40 таких станций, потому что мало где соблюдено природой основное требование – разница уровня в бассейнах 5 метров. Построены приливные станции во Франции, Канаде, Китае, Индии, России.

В последнее время все большую популярность приобретает технология «пассивного охлаждения и нагревания». Благодаря ей, совершенно не нужно отапливать или охлаждать жилое помещение, следовательно, происходит экологичное получение энергии из внутренних ресурсов самого дома. Технология включает в себя правильное архитектурное решение, соблюдение размеров окон и наклона козырьков, структуры стен и потолков, а также использование внутренних вентиляторов и деревьев, посаженных рядом с домом. Очень интересная и рачительная технология, проверенная уже не на одном жилом строении.

Несколько слов о будущем

Будущее сегодня кажется немного наивным, как когда-то смешными казались солнечные батареи и ветряные электростанции. Сегодня ученые прогнозируют развитие технологии водородного топлива, энергии синтеза атомов водорода в атом гелия с огромным выделением энергии, а также планируют получать энергию солнца с помощью спутников Земли и использовать энергию черных дыр. Словом, все теории необычайно интересны. Кто знает, может, уже через 5-10 лет все черные дыры нашей галактики будут работать для тепла в наших домах. Главное, чтобы планета наша жила и была чистой и безопасной!

Германия: Ставка на возобновляемые источники энергии

Под пристальным вниманием ученых в последнее время возобновляемые источники энергии. Пришло то время, которое заставило задуматься о завтрашнем дне и ясно понять, что использование полезных ископаемых Земли не может быть бесконечным.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ)

Реакция термоядерного синтеза Солнца является основным процессом возникновения альтернативной энергии. Согласно расчету астрономов, предполагаемая жизнь этой планеты составляет пять миллиардов лет, что позволяет судить о практически бесконечных запасах солнечного излучения. Возобновляемые источники энергии - это не только поступающие потоки Солнца, но и другие производные - альтернативные источники: движение ветра, волн и в природе. В течение длительного времени природа приспосабливалась к использованию солнечного излучения и таким образом достигла теплового равновесия. Эта полученная энергия не приводит к всеобщему потеплению, так как, запустив все необходимые процессы на Земле, она обратно возвращается в космос. Рациональное использование возобновляемых источников энергии является первостепенной задачей

ученых, ведущих научные разработки в этой области. Ведь из всего полученного солнечного излучения только третья часть используется на поддержание жизненных процессов на Земле, 0,02% расходуется растениями для необходимого им фотосинтеза, а оставшаяся невостребованная часть возвращается обратно в космическое пространство.

Виды и применение

Возобновляемые источники энергии состоят из нескольких основных компонентов:

Национальная лаборатория Дании подготовила отчет, где было сказано, что уже к 2050 году мир сможет перейти на получение энергии с очень низким уровнем выброса углерода. При этом себестоимость ее будет гораздо меньше, чем стоимость добычи природных ресурсов из недр Земли.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ»

Факультет геоэкологии и географии

Кафедра экологии и природопользования

РЕФЕРАТ

По курсу “Техногенные системы и экориск”

На тему

“Возобновляемые и не возобновляемые источники энергии”

Подготовил:

Студент группы ЭКО-14-2П

Рузметов Т.В.

Москва 2017

Введение............................................................................................................... 3

1. Возобновляемые энергоресурсы.................................................................... 4

1.1. Классификация возобновляемых источников энергии............................... 4

1.2. Ветроэнергетика........................................................................................... 5

1.3. Гидроэнергетика........................................................................................... 7

1.4 Гелиоэнергетика............................................................................................ 9

1.5 Энергия биомассы....................................................................................... 11

2. Невозобновляемые источники энергии........................................................ 13

2.1. Представители невозобновляемых энергоисточников............................. 14

2.1.1. Уголь........................................................................................................ 14

2.1.2. Нефть........................................................................................................ 16

2.1.3. Природный газ........................................................................................ 17

2.2. Получение атомной энергии...................................................................... 17

2.2.1. Атомные электростанции........................................................................ 18

2.2.2. Преимущества и недостатки АЭС........................................................... 19

2.2.3. Аварии на АЭС........................................................................................ 20

Заключение........................................................................................................ 21

Список использованной литературы................................................................ 22

Введение

В современном мире существуют несколько глобальных проблем. Одна из них - истощение природных ресурсов. С каждой минутой в мире используется огромное количество нефти и газа для нужд человека. Поэтому возникает вопрос: на долго ли нам хватит этих ресурсов, если продолжать их использовать в таком же огромном объеме? По расчетам, запас нефтяных ресурсов планеты исчерпается к концу нынешнего столетия. То есть, нашим внукам и правнукам будет нечего использовать для получения энергии? Звучит пугающе. Также использование традиционных полезных ископаемых плохо влияет на экологическую обстановку мира. Поэтому, человечество сейчас все больше задумывается об альтернативных источниках получения энергии. В этом и состоит актуальность данной реферативной работы.

Возобновляемые энергоресурсы

Классификация возобновляемых источников энергии

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) - это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов. жизнедеятельности биоцентров растительного и животного происхождения Характерной особенностью ВИЭ является цикличность их возобновления, которая позволяет использовать эти ресурсы без временных ограничений.

Обычно, к возобновляемым источникам энергии относят энергию солнечного излучения, потоков воды, ветра, биомассы, тепловую энергию верхних слоев земной коры и океана.

ВИЭ можно классифицировать по видам энергии:

· механическая энергия (энергия ветра и потоков воды);

· тепловая и лучистая энергия (энергия солнечного излучения и тепла Земли);

· химическая энергия (энергия, заключенная в биомассе).

Потенциальные возможности ВИЭ практически неограниченны, но несовершенство техники и технологии, отсутствие необходимых конструкционных и других материалов пока не позволяет широко вовлекать ВИЭ в энергетический баланс. Однако за последние годы в мире особенно заметен научно-технический прогресс в сооружении установок по использованию ВИЭ и в первую очередь: фотоэлектрических преобразований солнечной энергии, ветроэнергетических агрегатов и биомассы.

Целесообразность и масштабы использования возобновляемых источников энергии определяются в первую очередь их экономической эффективностью и конкурентоспособностью с традиционными энергетическими технологиями. Это объясняется несколькими причинами:

· Неисчерпаемость ВИЭ;

· Нет потребности в транспортировке;

· ВИЭ - экологически выгодны и не загрязняют окружающую среду;

· Отсутствие топливных затрат;

· При определенных условиях, в малых автономных энергосистемах, ВИЭ могут оказаться экономически выгоднее, чем традиционные ресурсы;

· Нет необходимости в использовании воды в производстве.

Ветроэнергетика

Энергия ветра уже более 6000 тысяч лет используется людьми. Первые простейшие ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае. В Египте (около Александрии) сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа, построенных ещё во II-I вв. до н. э. Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в 13-м веке принесены в Европу крестоносцами.

Начиная с XIII в., ветродвигатели получили широкое распространение в Западной Европе, особенно в Голландии, Дании и Англии, для подъёма воды, размола зерна и приведения в движение различных станков.

Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в 19-м веке в Дании. Там в 1890-м году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 м и четырехлопастные роторы диаметром 23 м.

Однако в начале 19-20 вв. НТП затормозил развитие ветроэнергетики. Полезные ископаемые, такие как нефть и газ, заменили ветер в качестве источника энергии. Но человечество такими темпами истощает природные ресурсы Земли, что вновь встает вопрос о возврате к истокам, т.е. к новому этапу развития ветровой энергетики.

Наиболее острый вопрос ветроэнергетики - экономическая эффективность ВЭУ. Очень важно выбрать правильное место для установки агрегатов. Для этого существуют специальные характеристики, позволяющие правильно подобрать местоположение. 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 оффшорные фермы. Башни ветрогенераторов устанавливают фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Также могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания.

Не стоит забывать, что производительность энергии зависит от 2 главных факторов: направления и скорости ветра.

Скорость ветра - главное препятствие развития ветровой энергетики. Ветер характеризуется не только многолетней и сезонной изменчивостью. Он может менять скорость и направление в течение очень коротких промежутков времени. Отчасти кратковременные колебания скорости ветра компенсируются самим ветроагрегатом, особенно на больших скоростях ветра, когда он начинает подтормаживать своё вращение (обычно, после 13-15 м/с). Однако более длительные изменения или снижение скорости ветра влияют на выработку ветроагрегата и всего ветропарка в целом. Но в современной ветроэнергетике этот недостаток сводится к минимуму тем, что ветромониторинг, начинающийся еще на предпроектной стадии, продолжает вестись и в дальнейшем. Накопленная база данных ветропотенциала позволяет прогнозировать выработку ветропарка уже на 2-м году его эксплуатации на 24 часа вперед с достаточно высокой для электрических сетей точностью.

Все ветровые установки можно разделить на 2 больших типа: с вертикальной осью вращения ротора и с горизонтальной.

ВЭС с вертикальной осью вращения (на вертикальную ось «насажено» колесо, на котором закреплены «приемные поверхности» для ветра), в отличие от крыльчатых, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Ветродвигатели этой группы тихоходны, поэтому не создают большого шума. В них используются многополюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах, что позволяет применять простые электрические схемы без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Главными недостатками таких агрегатов является их малый период вращения и малый КПД по сравнению с горизонтальными ВЭС. К побочным действиям работы таких установок следует отнести наличие низкочастотных вибраций, возникающих за счет дисбаланса ротора.

Ветроэнергетический рынок - один из самых динамично развивающихся в мире. Его рост за 2009 год - 31%.До сих пор ветроэнергетика наиболее динамично развивалась в странах ЕС, но сегодня эта тенденция начинает меняться. Всплеск активности наблюдается в США и Канаде, в то время как в Азии и Южной Америке возникают новые рынки. В Азии, как в Индии, так и в Китае, в 2005 году зарегистрирован рекордный уровень роста.

В настоящее время промышленным производством ВУЭ занимается более 300 фирм. Наиболее развитую промышленность имеют Дания, Германия, США. Серийное производство ветроустановок развито в Нидерландах, Великобритании, Италии и других странах.

Гидроэнергетика

Человек с давних пор использовал энергию воды и ее течения в своих нуждах. Поэтому история гидроэнергетики берет свое начало с древних времен: еще древние греки использовали водяные колеса для помола зерна. С течением времени технологии совершенствовались, и в 19 веке была изобретена первая водная турбина. Ее создали отдельно друг от друга 2 ученых: русский исследователь И. Сафонов в 1837 и французский ученый Фурнейрон в 1834 году. Однако изобретателем гидротурбины, можно даже сказать первой ГЭС, считается М. Доливо-Добровольский. Свое изобретение он продемонстрировал на выставке во Франкфурте. Оно состояло из генератора трехфазного тока, который вращала водяная турбина, а электричество, вырабатываемое ею, передавалось по 170 километровым проводам на всю территорию выставки. В настоящее время энергия воды составляет более 60 процентов от всех ВИЭ и является самой производительной из всех (КПД современных ГЭС составляет около 85-95%). После этого в мире начинается «гидроэнергетический бум».

Основными причинами столь бурного развития гидроэнергетики являются постоянное возобновление ресурсов круговоротом воды в природе и относительно простыми механизмами добычи самой энергии. Однако, зачастую, постройка и установка ГЭС очень трудоемкий и капиталоемкий процесс. Особенно это относится к сооружению плотин и накоплению огромных масс воды за ними. Также стоит отметить, что добыча гидроэнергии экологически чистый процесс. Но пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии .

Если описывать работу ГЭС, то ее принцип заключается в выработке энергии турбиной, вращаемой с помощью падающей с неопределенной высоты воды. Гидравлическая турбина преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала. Существуют разные конструкции гидротурбин, соответствующие разным скоростям течения и разным напорам воды, но все они имеют только два лопастных венца. Ось вращения турбины, рассчитанной на большой расход и малый напор, обычно располагают горизонтально. Такие турбины называют осевыми или пропеллерными. Во всех крупных осевых турбинах лопасти рабочего колеса могут поворачиваться в соответствии с изменениями напора, что особенно ценно в случае приливных ГЭС, всегда работающих в условиях переменного напора. Турбины устанавливаются в зависимости от напора водяного потока на ГЭС.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

· Мощные - вырабатывают от 25 МВТ до 250 МВт и выше;

· Средние - до 25 МВт;

· Малые гидроэлектростанции - до 5 МВт.

Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

В гидроэлектрические станции, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.

В настоящее время лидерами по выработке гидроэнергии являются Норвегия, Китай, Канада, Россия. Лидером по количеству энергии воды на душу населения является Исландия.

Гелиоэнергетика

Солнце - один из самых источников излучения в нашей Вселенной. И поэтому не случайно энергия звезды все больше используется человеком для переработки в электричество. Действительно, излучение Солнца, доходящее до всей поверхности Земли, имеет колоссальную мощность 1,2*10 14 кВт. И иногда очень обидно, что огромная часть этой энергии пропадает зря, особенно если она по своему количеству в разы превосходит ресурсы всех остальных ВИЭ вместе взятых. Поэтому в последние годы все активнее развивается гелиоэнергетика, в которой используется солнечная радиация для получения электричества.

Однако с помощью солнечного тепла можно не только получать ток, но обеспечивать теплопроводность. Такое возможно благодаря солнечным коллекторам, в которых нагревается вода при помощи солнечной радиации. И теперь она может использоваться для обогрева каких-либо сооружений.
Также как и в ветроэнергетике, для гелиостанций очень важно правильно выбрать место для их постройки. Не следует забывать, что солнечные лучи, прежде чем достигнуть поверхности Земли, преодолевают множество преград. Прежде всего, к ним можно отнести атмосферу, а в особенности озоновый слой. Именно благодаря ему на Земле вообще возможна жизнь, ведь он не пропускает вредное для всего живого ультрафиолетовое излучение. Также немаловажную роль играют содержащиеся в атмосфере частицы водяного пара, пыли, примесей газов и другие аэрозоли. Они частично рассеивают радиацию.

В целом, поступление радиации на земную поверхность зависит от:

· Географической широты;

· Состояния атмосферы;

· Климатических особенностей территории;

· Высоты места приема над уровнем моря;

· Высоты солнца над горизонтом и др.

Общее излучение, доходящее до Земли подразделяется на:

· Прямое излучение, дошедшее до Земли;

· Рассеянная радиация;

· Противоизлучение атмосферы.

На основе этих величин составляется суммарный радиационный баланс земли, по которому определяются наиболее удачные места для расположения гелиостанций.

Классифицировать их можно по:

· Виду преобразования солнечной энергии в другие ее виды - тепло или электричество

· Концентрированию энергии - с концентраторами или без них

· Технической сложности - простые и сложные

К простым установкам относят опреснители, нагреватели воды, сушилки, печные нагреватели ит.д.

К сложным относятся установки, которые преобразуют поступившую солнечную энергию в электрическую путем фотоэлектрических приборов.

Одним из лидеров использования солнечной энергии является Швейцария. В данный момент в стране эффективно развивается программа по строительству гелиостанций. Также идет тенденция на производство солнечных батарей, устанавливающихся на крыши зданий или как фасады. Такие установки могут компенсировать 50…70% энергии, затрачиваемой на производство

Энергия биомассы

К биомассе относятся все вещества органического происхождения.

1. Древесина. Уже многие тысячи лет человек использует дрова для получения тепла, приготовления пищи, освещения жилья. Да и до сих пор в мелких поселениях традиционно используется этот вид получения энергии. К сожалению это все приводит к одной из важнейших проблем мира - вырубки лесов. Однако эта задача решается с помощью использования энергии быстрорастущих деревьев, таких как тополь, ива и др.

2. Отстой сточных вод. Если вдуматься, то в использованных человеком водах таятся огромные запасы энергии. При отстаивании жидкости образуется огромное количество твердого вещества, которое при переработке анаэробными бактериями может содержать около 50% органического вещества. Однако существуют значительные трудности при переработке сточных вод. Главное из них - высушивание этих вод, так как на это тратится много тепла, которое по своим количественным характеристикам может превосходить теоретические значение энергии при полном сгорании отстоянного вещества. Также этот процесс не рентабелен с точки зрения экологии. Ведь при сгорании выделяется большое количество углекислого газа. Самым правильным вариантом в этом случае считается получение метана при помощи анаэробных бактерий. Но установки для этого весьма несовершенны, поэтому этот способ в современное время не получает большого размаха.

3. Отходы животноводства. Экскременты животных содержат высокое количество органического вещества, которые может использоваться для получения энергии. Однако так же, как и в случае со сточными водами, в навозе содержится большое количество влаги, поэтому его высушивание не выгодно. Тогда существует другой вариант - это анаэробное перегнивание. С помощью него получают метан, а оставшиеся вещества могут пойти на удобрения для почв. Но стоит помнить, что количество перерабатываемого вещества гораздо больше в более свежем навозе, поэтому, чтобы его переработка была экономически выгодна, нужны специальные постройки, позволяющие собирать все экскременты в одно место, не теряя его свежести.

4. Растительные остатки. После сбора урожая всегда остаются неиспользуемые части растений. Они представляют еще один источник энергии. В них содержится целлюлоза - углеродсодержащий углевод. Благодаря относительно небольшому количеству влаги в останках, при сжигании они выделяют много энергии. Ограничивающим фактором развития этого источника энергии является сезонность произрастания культур. Чтобы обеспечить круглогодичное использование останков растений, нужны специальные сооружения для их роста . Также немаловажными факторами являются потребность в перевозки к месту переработки и легкость сбора культур.

5. Пищевые отходы. Они тоже могут служить источником получения энергии. Особенно учитывая, что, например, в отходах фруктов содержится большее количество углеродсодержащих сахаров, чем в остатках зерновых культур, а в остатках мясных продуктов значительное количество протеина. Но наличие влаги затрудняет возможность получения энергии путем сгорания отходов. Поэтому целесообразней из них получать метан с помощью бактерий. Но тут появляется другая трудность: пищевые отходы с успехом используются в животноводстве. Поэтому этот источник практически не развивается в наше время. Исключение только составляют отходы в виде семян и шелухи, а также остатки от сахарного тростника. Например, в странах, где произрастает много тростника, его отходы идут на производство этанола, который при сжигании выделяет большое количество энергии. Самым ярким примером могут послужить Гавайские острова.

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».