Возобновляемые источники энергии, как мы уже говорили, используют природные процессы и ресурсы, которые либо практически неисчерпаемы, либо относительно быстро восстанавливаются естественным путем. Это солнечный свет, ветер, текущая вода, приливыотливы, тепло Земли – все эти виды энергии часто называют альтернативными, или зелёными, поскольку они представляют собой экологически и климатически безопасный источник энергии в противоположность углеводородному топливу. В этот же ряд включена и биомасса, хотя она и стоит в нём немного особняком.
По оценкам Международного энергетического агентства, на сегодняшний день около 20 % мирового производства электрической энергии беспечивается за счёт возобновляемых источников. Эксперты подготовили различные сценарии развития возобновляемой энергетики в будущем. В соответствии с наиболее благоприятным сценарием, к 2050 году из климатически безопасных возобновляемых источников может быть получено до 60 % всей электроэнергии в мире
Солнце
Солнце – источник энергии, который создала для жизни на Земле сама природа. Так почему бы не искать пути использовать энергию Солнца напрямую? Каждый квадратный метр Земли полуденное солнце обогревает с мощностью около мегаватта!
Любое застеклённое помещение под лучами солнца прогревается. Если в ваше окно светит Солнце, а в доме прохладно, раздвиньте шторы и протрите стёкла от пыли – это принесёт в вашу комнату чуть больше тепла. В давние времена в деревнях люди пользовались деревянными ставнями. Днём окно открывалось для света, а на ночь закрывалось ставнями, чтобы сохранить накопленное тепло. С развитием науки люди научились «ловить Солнце» ещё лучше. Есть два основных вида использования его энергии.
Солнечные коллекторы улавливают солнечное тепло. Внутри коллекторов протекает по трубочками и нагревается вода (иногда вместо воды могут быть воздух или специальное вещество-антифриз). Такие солнечные коллекторы можно использовать для отопления жилья и нагрева воды.
Фотовольтаика – второй распространённый способ улавливания и накопления солнечной энергии. Фотоэлементы превращают солнечный свет в электрическую энергию. Для всех уже давно стали привычными калькуляторы на фотоэлементах, садовые фонарики, которые днём собирают энергию, а ночью светятся. Точно такие же фотоэлементы, только более крупные, образуют «солнечные фермы» – большие фотоэлектростанции.
Фотоэлектрические элементы могут также использоваться для различных транспортных средств: лодок, автомобилей и даже самолётов! В Италии и Японии фотоэлементы устанавливают на крыши поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.
Основные преимущества солнечной энергии – её доступность, неисчерпаемость и безопасность. При использовании солнечных установок не происходит выбросов в атмосферу парниковых газов или загрязняющих веществ, а значит для климата этот способ получения энергии безвреден.
Недостатки у этого способа получения энергии тоже есть – сильная зависимость от погоды и времени суток, а также высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов в солнечных панелях. Однако с развитием новых технологий стоимость солнечных установок постепенно снижается, а озможности для их использования, наоборот, увеличиваются. Ещё один недостаток – проблема утилизации тработанных солнечных элементов, в которых содержатся вредные вещества. Рынок утилизации солнечных панелей пока не сложился, а срок их службы составляет несколько десятков лет. И ещё один недостаток – затраты энергии и большого числа чистой воды при производстве солнечных панелей. Поэтому зобретатели стараются азработать новые, более экологичные фотоэлементы, а производителям приходится продумывать ехнологии приёма и переработки использованных панелей.
Многие эксперты считают солнечную энергетику энергетикой будущего и одной из основных альтернатив традиционным углеводородным источникам энергии. Правительства разных стран поддерживают развитие солнечной энергетики, а частные компании вкладывают большие деньги в строительство солнечных электростанций. Германия, будучи далеко не солнечной страной, стала мировым лидером в этой сфере. Среди других передовых стран в области солнечной энергетики – Испания, Италия, Франция, США, Япония, Китай.
Ветер
Ещё один часто используемый возобновляемый источник энергии – ветер. Механическую энергию чего-то движущегося можно преобразовывать в электрическую – этот принцип лежит в основе ветроэнергетики. Дети забавляются разноцветными вертушками, но если построить огромные ветряки, собрать их сразу много в какой-то ветреной местности, то вращение турбин станет источником электроэнергии для людей.
Ветряные мельницы известны с древних времён, но особенно популярны они стали в средневековой Европе. На протяжении долгого времени они, наряду
с водяными мельницами, были единственными машинами, которые использовало человечество. Ветряные мельницы использовались в основном для перемола зерна, обработки древесины или орошения полей. В Нидерландах многочисленные ветряные мельницы откачивали воду с отвоёванных у моря земель, которые затем использовались для ведения сельского хозяйства. Современные ветряные установки (их коротко назы- вают «ветряки») устроены по аналогии с ветряными мельницами.
Чаще всего ветряные установки размещают в прибрежных зонах, где постоянно дует сильный ветер. Причём с недавних пор человечество научилось строить ветряные мельницы не только на суше, но и в море. На расстоянии 10–12 км от берега (а иногда и дальше) строятся так называемые оффшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 м. А самая новая технологическая разработка – строительство плавающих ветряков, которые устанавливаются на платформах-поплавках
Крупная ветряная ферма может состоять из нескольких сотен ветряных мельниц, расположенных на обширной территории – до нескольких сотен квадратных километров. Такие ветряные фермы включаются в общую энергосеть и передают электроэнергию на большие расстояния! Более мелкие ветряные фермы или отдельные ветряки чаще используются для снабжения электричеством удалённых районов или небольших объектов.
На сегодняшний день за счёт энергии ветра производится около 2,3 % всей потребляемой в мире электроэнергии. Однако ветроэнергетика очень быстро развивается, постоянно появляются новые, более совершенные технологии, которые позволяют использовать энергию ветра более эффективно. Эксперты Международного энергетического агентства прогнозируют, что к 2035 году ветровая и солнечная энергетика в совокупности могут производить до 18 % всего необходимого электричества в мире.
Вода
Энергию движущейся воды можно использовать разными способами.
Наиболее распространена гидроэнергетика, работающая по тому же принципу, как и старинные водяные мельницы: речной поток вращает вертушку, и энергия этого вращения преобразуется в электрическую.
Кажется, что всё очень просто, однако этот способ добывать энергию тоже имеет свои минусы. Ведь для того, чтобы создать эффективную и мощную гидроэлектростанцию (ГЭС), нужно построить высокую плотину и всю мощь реки направить на вращение лопастей генератора. При этом строительство ГЭС нарушает естественную жизнь реки, может послужить причиной перемены микроклимата и гибели речных обитателей. Другими словами, к строительству гидроэлектростанций нужно подходить очень внимательно и не забывать о необходимости сохранять экологическое равновесие.
Кроме того, нужно очень хорошо следить за исправностью больших плотин. Ведь если стена плотины в результате аварии разрушится, то освобождённые воды хлынут вниз по реке потоком, сметающим всё на своём пути, и река на многие километры вниз по течению выйдет из своих обычных берегов. Так, в результате разрушения плотины ГЭС Баньцао
в 1975 году в Китае погибло более 170 тыс. человек. Можно вспомнить и гораздо более близкую нам по времени аварию на Саяно-Шушенской
ГЭС в 2009 году. В результате той аварии погибло 75 человек, а в Енисей попало большое количество турбинного масла.
Существуют и бесплотинные гидроэлектрогенераторы, их называют мини-ГЭС и микро-ГЭС, они устанавливаются на небольших речушках и даже ручьях и собирают энергию течения в аккумулятор. Мощность их невелика, они годятся для обеспечения энергией небольших хозяйств или,
например, кордонов заповедников на берегу реки (Рис. 3.1.9).
И тем не менее, по сравнению с тепловыми электростанциями, работающими на углеводородном топливе, гидроэнергетика считается более безопасным для климата способом производства энергии. К тому же стоимость выработки электричества на гидростанции меньше, чем на тепловых станциях примерно вдвое. По этой причине многие страны стараются максимально использовать потенциал своих рек для производства энергии. Есть ряд государств, где ГЭС производят от 90 до 100 % всей электроэнергии. Это Парагвай, Норвегия, Таджикистан, Уругвай, Уганда, Замбия, Камерун, Бразилия.
Активно развивает гидроэнергетику Китай. В этой стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира, а также крупнейшая ГЭС за Земле «Три ущелья» на реке Янцзы мощностью 22,5 ГВт (Рис. 3.1.10). Ещё более крупную ГЭС «Гранд Инга» мощностью 39 ГВт планируется построить на реке Конго в Демократической Республике Конго в Африке.
Волновые электростанции способны использовать силу волн в океане. Энергию движения подпрыгивающего на волнах поплавка, оказывается, тоже можно преобразовывать! Бушующая стихия, которая в давние времена могла только угрожать морякам, сегодня может стать другом человека. Мощность волнения в десятки раз превышает мощность ветра, надо только научиться её использовать.
Приливные электростанции используют такое удивительное явление, как приливы и отливы. Все планеты, звёзды и другие космические тела связаны между собой силами гравитации и влияют друг на друга. Земля вращается вокруг Солнца и вокруг своей оси, Луна точно так же вращается вокруг Земли, взаимное расположение Солнца, Земли и Луны всё время меняется. Это влияет на Мировой океан.
В месте сильных приливов ставится плотина. Сначала она становится препятствием для прилива и не пускает воду в бухту, дожидаясь, когда уровень воды приблизится к максимальной точке. А потом заслонка открывается, и вода океана бурно устремляется по открытому пути, вращая вертушку. Когда уровень воды с разных сторон плотины выравнивается, заслонка снова закрыта. Теперь нужно ждать отлива: когда воды океана отступят, то та их часть, что «поймана в ловушку», точно так же поторопится покинуть бухту, как только её выпустят, и вновь заставит колесо вращаться.
Тепло Земли
Геотермальная энергетика использует тепло Земли. Её нельзя считать возобновляемой в строгом смысле слова, но запасы тепла в недрах нашей планеты достаточно велики. В районах вулканической активности горячие подземные воды могут подниматься по трещинам на поверхность земли и через некоторые промежутки времени с силой выплёскиваться вверх в виде струй воды и пара – такое явление называется гейзером.
Если в соответствующей местности пробурить скважину, доходящую до горячих подводных озёр, их воду можно использовать для отопления или выработки электроэнергии, а если вода имеет благоприятный состав – то и для водоснабжения. Сложность гидротермальной энергетики – в необходимости возвращать использованную воду под землю, чаще всего химический состав этих вод не позволяет сбрасывать их в реки и озёра, а кроме того, в результате использования горячих вод под землёй образуются пустоты, может произойти проседание грунта.
Можно специально закачивать воду с поверхности земли через скважину в земные недра, где в природной подземной «духовке» она вскипит и вернётся на поверхность через соседнюю скважину в виде пара. Такую энергетику называют петротермальной. Петротермальные проекты развивают США, Австралия, Япония, Германия и Франция.
Низкопотенциальное тепло
Существует прибор, который способен превращать слабое тепло в сильное. «Брат» этого прибора стоит почти в каждой квартире – это холодильник.
Есть несколько принципов работы холодильника, основной из них таков. Хладагент забирает тепло из холодильника. После чего компрессорная машина засасывает хладагент и сжимает его под давлением, при этом по законам физики выделяется тепло, которое рассеивается в пространстве. Если мы потрогаем холодильник снаружи, он будет
горячим! Именно поэтому холодильники должны стоять подальше от отопительных приборов и не попадать под прямые лучи солнца, ведь это «выброшенное» тепло должно поскорей передаваться в воздух и не задерживаться на внешних стенках холодильника.
В холодильнике холод сохраняется, а тепло «выбрасывается», но ведь можно поступать наоборот: получившееся тепло будет сохраняться, а холод – «выбрасываться». Такой прибор уже есть, он называется тепловым насосом. Тепловые насосы способны получать тепло от слабо нагретой жидкости, воздуха или иного вещества. Они могут «забирать» тепло земли на небольших глубинах, а если в зимнее время через тепловой насос пропускать выходящий
из квартиры тёплый воздух или уходящую из ванны использованную тёплую воду, то значительную часть уходящего тепла можно будет вернуть обратно в квартиру. Однако тепловой насос не может нагревать воду слишком сильно – чаще всего не более, чем до +50 – 60 °С, поэтому его используют не как самостоятельный источник энергии, а как дополнительный, чтобы сократить расходы топлива
Биомасса
В наши дни растения продолжают труд далёких предков, собирая энергию солнца и, благодаря фотосинтезу, накапливая её в своих телах. Костёр или камин обогревают нас потому, что дерево, которое человек превратил в дрова, долгие годы ловило и собирало энергию солнца, а также освобождало воздух от углекислого газа. Деревья трудились для нас при жизни, они отдают себя нам, когда умирают в огне.
Если полезные ископаемые, образовавшиеся очень давно, не восполняются, то биомассу можно получать заново. Срубив для топлива старое дерево, мы можем посадить на его месте новое, и за несколько десятков лет оно вырастет. Используются как топливо и различные травы, злаки, которые успевают вырастать за лето или даже быстрее.
Однако давайте вспомним: многие из нас уже пользовались помощью деревьев, сидя около костра или поглядывая на танец огня в садовой
печке, и сколько же деревьев мы посадили взамен? Так же всё происходит и в большом мире. Вырубки лесов для различных нужд – дело нехитрое, но всегда ли вырубающие сажают взамен новые леса? А ведь это так важно делать! Использовать как топливо можно не только деревья, но и те части растений, которые обычно считаются сором, например, при выращивании хлопка для одежды, зерна или плодов для пропитания можно собирать и перерабатывать шелуху, косточки, солому.
Растения при жизни поглощают примерно то же количество углекислого газа, которое при сжигании выделяется. Если бы растения оставались после гибели в природе, примерно такое же количество газа выделилось бы постепенно и при их перегнивании. Биомасса считается относительно безопасным источником энергии. Но если в качестве топлива используются отходы производства, например столярного (стружка), то это пример удачного использования биомассы, если же здоровый лес вырубается именно на дрова – это пример расточительности.
Самый простой и распростран`нный способ производства энергии из биомассы – это её сжигание. Но костёр легко развести только с сухими и смолистыми дровами, причём ещё и лежать эти дрова должны определённым образом. Поэтому изобретатели стараются придумывать всё более экономичные устройства, которые позволяют сжигать с большей эффективностью и экологичностью растительное сырьё разной влажности и состава.
Растительное волокно можно не только сжигать, но и производить из него универсальное топливо, которое легче транспортировать и использовать в традиционных приборах и устройствах. Из растений, содержащих масло, можно производить различное жидкое дизельное топливо (или биодизель).
Из сахаро- и крахмалсодержащих продуктов можно получать спирт, он тоже используется как топливо (биоэтанол).
Ещё один способ использования биомассы – ферментация. Сельскохозяйственные животные, поедая растения и переваривая их, оставляют после себя навоз, который тоже может послужить для получения энергии! Если собрать в закрытом котле навоз и различные продуктовые отходы, а потом нагреть этот котёл до 50–60 °С, бактерии начнут поедать органическое вещество, образуя при этом газ метан, который можно собирать и использовать как топливо.
