Альтернативная энергетика и экология: виды и пути развития

Потребление электроэнергии в мире постоянно возрастает. Внедряются энергосберегающие технологии, однако одновременно растет количество приборов и цифровых устройств. При этом запасы горючих ископаемых уменьшаются.

Получение энергии путем сжигания вредит окружающее среде за счет выбросов продуктов сгорания и выделяемого тепла. Альтернативная энергетика лишена многих проблем традиционных способов получения энергии.

Что такое альтернативная энергетика?

Само название альтернативной энергетики говорит, что это энергетика, которая отличается от традиционной. В традиционной энергетике используются такие ресурсы, которые невозможно восполнить, и когда-нибудь они закончатся. Альтернативная энергетика – это комплекс мер получения, передачи и использования энергии возобновляемых природных ресурсов.

Россия отстает от многих стран мира по применению альтернативных источников. Основная причина – большие запасы ископаемого топлива. Пока доля возобновляемых источников в энергетике страны мала, но каждый год вводятся в эксплуатацию новые электростанции, работающие на альтернативной энергии:

• солнечной;
• ветровой;
• приливной;
• геотермальной и других.

Развитие альтернативной энергетики

Использование «зеленой» энергии считается новым методом, но попытки применения возобновляемых ресурсов в энергетике ведут историю с 18 века:

1. В 1737-1753 французский математик Бернар Форест де Белидор написал трактат «Гидравлическая архитектура». В нем содержится 200 чертежей гидотехнических сооружений, описана идея создания «солнечного насоса».
2. В 1846 г. Построена первая ветроустановка по проекту Поля ла Круа.
3. 1861 г. – запатентовано изобретение солнечной электростанции.
4. 1881 г. – построена первая ГЭС на Ниагарском водопаде.
5. 1913 г. – под руководством итальянского инженера Пьеро Джинори Конти построена первая геотермальная ЭС.
6. 1931 г. – первая промышленная ветровая станция в Крыму.
7. 1966 г. – во Франции запустили первую электростанцию, работающей на энергии волн.

Нефтяной кризис 1973 года дал новый стимул развитию возобновляемой энергетики. Ряд аварий на электростанциях на рубеже веков повысил интерес инженеров к «зеленым» источникам.

Плюсы и минусы использования

Не существует идеального энергоресурса, у каждого вида есть свои преимущества и недостатки. Плюсы альтернативных источников:

• возобновляемость: солнце, ветер, приливы, круговорот воды не закончатся миллиарды лет;
• относительная экологическая безопасность;
• низкая себестоимость электроэнергии.

Альтернативная энергетика не лишена недостатков, к которым относятся:

• невысокий КПД установок, в среднем 10-20%;
• низкая мощность генераторов, за исключением ГЭС;
• зависимость от погоды;
• дорогое строительство и монтаж установок.

Виды альтернативной энергетики

Альтернативная энергетика включает в себя несколько видов. Тип источника энергии определяет способы получения электричества и тепла, а также конструкцию и требования к расположению генерирующих установок.

Солнечная энергетика

Гелиоэнергетика основана на получении энергии из солнечного излучения. Выработка электричества основана на фотоэлектрическом эффекте: совокупности процессов, происходящих в полупроводниках под воздействием света. Солнечные батареи применяют и на промышленных электростанциях, ив частном порядке. Гелиоэнергетика имеет свои плюсы и минусы. Достоинства:

• доступность и неисчерпаемость источника энергии;
• полная безопасность для окружающей среды в процессе эксплуатации.

Но есть и недостатки:

• зависимость от погоды, времени суток и сезона;
• высокая стоимость оборудования;
• необходимость дублирования другим источником энергии или накопления в аккумуляторах;
• сложность производства и утилизации солнечных батарей, связанная с присутствием в них ядовитых веществ;
• задействование больших площадей для размещения фотоэлементов;
• необходимость очистки поверхностей батарей от загрязнений.

Несмотря на сложности, совокупная мощность солнечных установок в мире растет на 40-60% в год. Она превышает 1% от всего мирового энергопотребления.

Разновидность солнечной энергетики – гелиотермальная. Она применяется для преобразования солнечной радиации в тепло воды или другого энергоносителя. Гелиотермальная установка представляет собой вогнутое зеркало, которое концентрирует солнечные лучи и направляет на резервуар с жидкостью. При кипении воды паровой генератор преобразует энергию испарения в электрическую. Этот способ применяется и для бытового нагрева воды.

В России в 2016 году фотоэлементы выдавали общую мощность 60 МВт, в 2018 – 534 МВт, а в 2019 – уже 834 МВт. Самые мощные СЭС расположены в Крыму, средние – в других южных регионах: Астраханской, Самарской, Оренбургской областях, Республике Алтай.

Ветровая энергетика

Применение энергии ветра в России осложняется тем, что большая часть мест с сильными ветрами находится в труднодоступных районах Крайнего Севера. Доля ветровых станций в энергобалансе страны невелика, общая мощность станций составляет 200 МВт.

Наиболее мощные ветроэлектростанции построены в Адыгее, Ульяновской области и в Крыму. В стадии проектирования и строительства находятся станции с общей мощностью 2,5 ГВт. Энергия ветра – чистая и возобновляемая. При подключении ветровых турбин к общей электросети страны безветренная погода не вызывает перебоев электроснабжения. В автономном режиме к ветрогенераторам подключают мощные аккумуляторы, чтобы накопить энергию для безветренных периодов.

Гидроэнергетика

Гидроэлектростанции используют возобновляемый источник энергии, но относятся скорее к традиционным видам энергетики. К альтернативной энергетике причисляют ГЭС малой мощности. В России гидроэлектростанции строятся с конца 19 века, и в наше время дают пятую часть электроэнергии.

Общая мощность всех российских ГЭС превышает 48 ГВт. Принцип работы знаком каждому со школьной скамьи: вода из водохранилища под напором поступает на лопасти турбины, которая приводит в действие генератор. Строительство ГЭС осложняется затоплением больших площадей земли, включающих леса, поля, населенные пункты. Аварии на гидроэлектростанциях приводят к катастрофическим последствиям.

К видам гидроэнергетики относятся энергоустановки, работающие на энергии волн и приливов. Электростанции таких типов строятся на берегах морей. В Мурманской области экспериментальная приливная электростанция действует с 1968 года. Несколько подобных станций находится на этапе проектирования.

В мире разрабатываются и тестируются новые методы получения энергии из вод: конденсация влаги из атмосферы и температурный градиент морской воды.

Геотермальная энергетика

Геотермальные электростанции используют энергию недр Земли. Термальные воды применяют не только для выработки электричества, но и для отопления, горячего водоснабжения. Недостаток этого источника энергии в том, что для достижения достаточно горячей воды приходится бурить скважину глубиной несколько километров.

Сложно и само глубинное бурение, и закачка отработанной воды обратно в водоносный горизонт. Это экономически нецелесообразно, поэтому термальные станции строят в местах с вулканической активностью. Выход термальных источников на поверхность дает воду с температурой выше кипения, что обеспечивает высокий КПД электрогенераторов.

Энергия земных недр практически неисчерпаема: ядро остывает на 1 градус за несколько миллионов лет. При этом высвобождается тепло, в тысячи раз превышающее запас энергии во всем известном ископаемом топливе. Геотермальные станции есть в Краснодарском крае и на Курилах, а на Камчатке около 40% электроэнергии имеет геотермальное происхождение.

Биотопливо

Часть биомассы относится к традиционным источникам энергии, например, древесина, опилки. Под альтернативными источниками подразумеваются отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности: навоз, свекольный жом, растительные жиры, отбросы рыбопереработки, водоросли.

Топливо на основе биологических отходов бывает в жидком, твердом и газообразном состоянии. Биогаз получается расщеплением отходов тремя видами бактерий. КПД газовых турбин достигает 93%, что намного превышает этот показатель у других видов котлов.

Транспортировка биомассы невыгодна, поэтому энергоустановки размещают в аграрных регионах вблизи источников сырья. Их мощность относительно невелика. Ученые открывают все новые способы получения биотоплива, что решает и энергетическую проблему, и вопрос утилизации сельскохозяйственных отходов.

Термоядерная энергетика

Управляемый синтез тяжелых атомных ядер из более легких – перспективное направление альтернативной энергетики. Исследования этого вида энергетики ведутся с 1950-х годов. Предположительно, рентабельные модели термоядерных электростанций появятся к середине 21 века.

Россия участвует в международном проекте ITER, в рамках которого впервые удалось осуществить безубыточный термоядерный синтез. Сырьем выступает водород, который получают из морской воды. При слиянии ядер нет выбросов продуктов сгорания во внешнюю среду.

В отношении радиации реактор термоядерного синтеза гораздо безопаснее ядерного реактора. Когда вырабатываемая энергия существенно превысит ту, которая затрачивается на дополнительные процессы, термоядерный синтез обеспечит электричеством все человечество.

Мировое использование различных видов альтернативных источников энергии

В наше время гидроэнергетика имеет наибольшую мощность из всех видов энергетики на возобновляемых ресурсах. Некоторые страны из-за особенностей природных условий сместили вектор развития на солнечные и ветровые энергоустановки. Мировые лидеры по доле энергии ветра в общем энергобалансе страны:

• Дания – 42%;
• Португалия – 27%;
• Никарагуа – 21%;
• Испания – 20%.

В 2014 году в Дании ветроустановки производили 39% от всего электричества, в 2015 году – уже 42%, и доля ветровой энергии продолжает расти.

Рост альтернативной энергетики в Европе достигается за счет ветровых, солнечных и биотопливных энегоустановок. Опережают среднемировые показатели по переходу на «зеленую» энергию США, Китай, Австралия, Германия и страны из предыдущего списка.

В 2010 году 4,9% всей мировой электроэнергии составляла энергия альтернативных источников. В 2018 году доля «зеленой» энергии достигла 8,4%. При подсчете не учитывались крупные ГЭС. По прогнозам, к 2030 году доля альтернативной энергетики составит 35% всего мирового энергопотребления.

Состояние альтернативной энергетики в России

По сравнению со странами ЕЭС, Россия отстает во внедрении альтернативной энергетики. Разработки СССР были заброшены в 90-е годы из-за распада страны. Новые исследования получают недостаточное практическое применение. Развитие альтернативной энергетики в России сдерживается относительной доступностью традиционного топлива.

Немаловажную роль играет сложность в финансировании разработки и строительства новых объектов, когда можно получать энергию на действующих электростанциях. Дорогой кредит также сдерживает инвестиции в новые проекты. Сказывается и нехватка кадров с опытом работы в этой сфере. Несмотря на проблемы российской альтернативной энергетики, ее доля в энергобалансе страны увеличивается. В перспективе энергия ветра может обеспечивать до 10% энергопотребления страны.

Применение и перспективы развития различных видов альтернативных источников энергии

Жители частных домов охотнее покупают и устанавливают солнечные батареи, если государство покупает у них лишнюю энергию. Фотоэлементы монтируются на крыше, так они не требуют дополнительной площади. При подключении к общей энергосистеме в темное время суток жители пользуются входящей электроэнергией, за которую платят поставщику электричества.

Днем, во время работы солнечных батарей, энергопотребление в домах снижается, а на предприятиях – растет, поэтому образуется излишек электроэнергии. Электросчетчики могу считать электричество в обе стороны, но в России опция учета исходящей энергии у счетчиков отключена. Альтернативная энергетика в Германии и Нидерландах развивается быстрее отчасти благодаря возможности продавать пиковый излишек электричества государству. Техническая сторона несложна, дело за законодательной базой.

Размеры России способствуют развитию нетрадиционных видов энергетики. Когда на Дальнем Востоке наступает ночь, в европейской части страны еще светло. При подключении солнечных электростанций к общей энергосистеме выработка электричества фотоэлементами в среднем по стране выравнивается в течение суток.

Когда на севере страны безветренная погода, достаточно сильный ветер может быть в восточной части или на юге. В то же время, в стране есть множество труднодоступных мест, в которые сложно протянуть линию электропередач. Удаленные районы целесообразно обеспечить энергией из альтернативных источников. Несмотря на нынешнее отставание, будущее у альтернативной энергетики в России определенно есть.

Факторы, ускоряющие внедрение нетрадиционных энергоресурсов

Из-за истощения запасов топливных энергоресурсов переход на нетрадиционную энергетику неизбежен. Прочие предпосылки развития альтернативной энергетики в мире:

• сокращение сроков окупаемости альтернативных энергоустановок;
• социальная напряженность, вызванная ростом плотности населения и ухудшением экологической обстановки;
• постоянно возрастающая сложность добычи ископаемого топлива;
• престижность лидерства в освоении альтернативной энергетики.

Альтернативные источники энергии уже сейчас в лидирующих странах не уступают традиционным. В будущем и в нашей стране они из экзотики превратятся в привычную реальность.