Альтернативные источники энергии: плюсы и минусы

Энергия была, есть и всегда будет нужна людям, прежде всего она нужна нам для производства тепла, освещения и транспортировки. Она производится в виде электрического тока, необходимого для освещения, работы промышленности, телекоммуникаций и транспорта, который можно легко передавать на большие расстояния. Энергия, вырабатываемая в виде тепла, используется для отопления квартир, приготовления пищи или в промышленности. В виде топлива она используется в автомобилях, поездах, авиации и других транспортных средствах.

Источники энергии – это любые вещества, явления, процессы, объекты или устройства, которые могут быть использованы (непосредственно или после реализации соответствующей цепочки преобразований) для удовлетворения энергетических потребностей человека.

Как правило, под источником энергии понимаются источники первичной (необработанной) энергии, то есть химической энергии, энергии топлива, ядерной энергии, энергии воды, энергии недр Земли (геотермальной), энергии воздушного потока (ветров), энергии солнечного излучения (солнечной).

Источники и носители первичной энергии можно разделить на невозобновляемые, которые в значительной степени и в „человеческом” временном горизонте не подлежат восстановлению, например: древесина, торф, каменный уголь, бурый уголь, нефть, природный газ, уран, и возобновляемые, то есть практически не истощающиеся: излучение Солнца, ветры, биомасса, вода, волны, морские приливы и геотермальная энергия.

Возобновляемые источники энергии всё больше используются с каждым годом, и это уже не просто любопытство. Дома, корпорации и даже целые государства вкладывают огромные деньги в альтернативные источники энергии.

Многие указывают на то, что возобновляемые источники энергии будут играть ключевую роль в обеспечении нас электричеством в будущем. По крайней мере, 47 стран мира уже производят более половины электроэнергии из возобновляемых источников, и, по оценкам, в 2025 году ВИЭ превзойдут уголь и станут крупнейшим источником электроэнергии.

Солнечная и ветровая энергия очень динамично развивается во всем мире. Это очень хорошая новость, но стоит добавить, что электричество - это только одна из частей энергии, которую мы используем (энергетический микс). Две другие части - транспортировка и отопление.

В то время как низкоуглеродистые источники обеспечивают более 36% электроэнергии в мире, в общей энергетической смеси они составляют только 15%. Это потому, что транспорт и отопление гораздо больше зависят от ископаемого топлива, чем от производства электроэнергии.

В транспорте решением являются электромобили, но это также будет связано с увеличением спроса на электроэнергию, который, как ожидается, увеличится в 11 раз с доковидного 2019 по 2030 год. Это делает ВИЭ еще более актуальным.

Основной и все более распространенной причиной использования альтернативных источников энергии является потепление климата. Это приводит к таянию ледников, и из-за этого могут быть затоплены нижележащие земли и прибрежные города. Это связано с тем, что при сжигании нефти в атмосферу попадают загрязняющие вещества и вредные вещества. Эти загрязнители удерживают тепло и не позволяют ему выходить в космос. Происходит накопление тепла, в результате чего создается парниковый эффект.

Истощение запасов энергоресурсов и нефтяные кризисы заставили мир искать альтернативные источники энергии. Растущие затраты на производство энергии и риск истощения энергетических ресурсов являются движущей силой поиска альтернативных источников энергии. В первую очередь обращались к древнейшим, известным на протяжении веков решениям. К ним относится использование силы ветра и Солнца.

Ветряная электростанция вырабатывает электроэнергию из энергии ветра с помощью ветряного двигателя, соединенного с электрическим генератором. Электричество, получаемое от ветра, является экологически чистым, так как его производство не влечет за собой сжигание какого-либо топлива. Большая обычная электростанция имеет мощность около 1000 МВт, для ее замены потребуется до 1000 таких ветрогенераторов. В некоторых странах строятся ветряные электростанции, состоящие из множества расположенных близко друг к другу турбин. Однако общественность иногда не одобряет этот тип инвестиций, потому что они портят ландшафт, поэтому будущее таких электростанций неопределенно. Следует, однако, признать, что небольшие одиночные турбины являются отличным источником энергии в местах, удаленных от центров цивилизации, где нет связи с национальной энергосистемой. КПД этого типа электростанции не превышает 40%.

Преимущества: возобновляемый источник энергии, низкие эксплуатационные расходы, низкая начальная стоимость для производства энергии, экологически чистые технологии. Возможность размещения на пустырях и загрязненных территориях, снижение безработицы (постоянная занятость для ок. 5000 человек).

Недостатки: Высокая стоимость строительства и обслуживания. Уродует ландшафт, для замены большой обычной электростанции потребует использования нескольких ветряных мельниц. занимает обширные площади, потерянные для сельского хозяйства. Шум турбин. Зависимость от ветра. Они мешают приему радио- и телевизионных волн.

Природные виды топлива, такие как уголь и нефть, эксплуатируемые по-прежнему с той же скоростью, что и сейчас, начинают медленно истощаться, что в конечном итоге приведет к их полному исчезновению, по крайней мере так считается официально.

Еще одним аргументом в пользу использования альтернативных источников энергии является постоянное загрязнение окружающей среды. Электростанции, работающие на шахтном топливе, выделяют вредные газы (окись углерода, диоксид углерода, оксиды азота и серы) и пыль, способствующие образованию кислотных дождей, которые вызывают увядание растительности и эрозию зданий и сооружений.

Атомные электростанции, которые казались хорошей альтернативой, довольно рискованны, примером может служить Чернобыльская катастрофа 1986 года и авария на АЭС в Фокусиме 2011 года. Впрочем, их использование будет продолжаться, больше всего энергии - более 10% в настоящее время вырабатывают именно АЭС. Она считается возобновляемой (хотя и неофициально) только в том случае, если она функционирует в замкнутом топливном цикле, то есть когда образующиеся отходы повторно используются в качестве топлива реактора.

Развитие технологий позволяет верить, что в будущем все новые ядерные реакторы будут функционировать в замкнутом цикле, что сделает ядерную энергию полностью возобновляемой. Даже Зелёные стали признавать, что АЭС экологична, под давлением промышленников.

Преимущества: Большое количество энергии получается из небольшого количества топлива - 1 кг урана уравновешивает 3000 тонн угля. При нормальной эксплуатации они практически безвредны. Низкие эксплуатационные расходы после запуска.

Недостатки: Если электростанция не имеет надлежащих систем безопасности, существует угроза загрязнения в случае отказа. Проблемы с хранением отработавшего топлива. Высокие затраты на строительство и снос электростанции, когда она завершит свою деятельность.

Происхождение использования Солнца в качестве источника энергии восходит к IV в. до н.э., когда греки использовали солнечные лучи, сосредоточенные в стеклянном шаре, наполненном водой, для разжигания огня. Со второй половины XX века на развитие этого метода делается большой упор, что приносит ощутимые результаты.

Из всех источников энергии солнечная энергия является самой безопасной. Около 30% солнечной радиации, поступающей на нашу планету, отражается атмосферой, 20% поглощается ею и только 50% достигает поверхности Земли. Однако солнечная энергия, которая поступает к нам, используется мало. Возможности её использования сталкиваются с технологическими препятствиями. Солнечные батареи мощностью 1000 МВт должны иметь площадь 104 м². Больше всего солнечных дней в году приходится на районы, расположенные в низких широтах. По вышеупомянутым причинам солнечные батареи популярны только в домашних хозяйствах и на небольших фермах. Размещенные на крышах зданий, они нагревают воду или используются для сушки зерна или кормов.

Преимущества: Это чистый источник возобновляемой энергии, и солнечные элементы не требуют особого ухода, кроме очистки, они надежны, легкая установка коллекторов.

Недостатки: Для создания фотоэлектрических элементов используются токсичные элементы (кадмий, мышьяк, селен, теллур), а установка элементов занимает обширные площади. Сложность использования этого источника энергии связана, в частности, с изменчивостью суточной и сезонной солнечной радиации. К недостаткам также относится низкая суточная плотность потока энергии солнечного излучения, которая даже в экваториальных районах составляет всего 300 Вт / м².

В домашних или сельских хозяйствах в течение многих лет также использовались геотермальные ресурсы, то есть энергия горячих источников и гейзеров. На геотермальных электростанциях (геоэлектрических заводах) электроэнергия вырабатывается из энергии недр Земли. Термальные воды на глубине 250-600 м могут достигать температуры порядка 3000 С. Однако КПД такой электростанции составляет всего около 20-25%.

Преимущества: Среди основных преимуществ геотермальной энергии - большая способность генерировать энергию при сохранении незначительного воздействия на окружающую среду. Благодаря технологиям, позволяющим пробивать 10 км вглубь Земли, это может быть источником энергии, доступным практически в любом месте планеты. Используемая вода повторно нагревается и используется в системах центрального отопления.

Недостатки: Дороговизна установок. Технические проблемы при обслуживании оборудования. Подходящие породы встречаются в немногих местах в мире. Выделяется радон и сероводород. Опасность загрязнения глубоководных источников.

Гидроэлектростанция преобразует энергию течения воды в электричество, используя водяную турбину, соединенную с генератором электроэнергии. Эффективность таких электростанций определенно выше, чем у других электростанций, и в среднем составляет от 80 до 90%. В мире энергия рек удовлетворяет около 3 % потребности в первичной энергии. Энергия рек считается неисчерпаемой, но в условиях изменения климата, приводящим к пересыханию рек это всё очень относительно.

Преимущества: Это чистый возобновляемый источник энергии, есть возможность быстрой остановки и запуска электростанции, а также небольшие проблемы при обслуживании и эксплуатации электростанции, возможность создания искусственных водоемов, которые накапливают воду, тем самым снижая риск наводнений. Поглощение этой энергии очень выгодно как по экологическому, так и по экономическому характеру, поскольку она обеспечивает экологически чистую энергию и регулирует водные отношения, увеличивая удержание поверхностных вод, что улучшает условия выращивания сельскохозяйственных культур и условия водоснабжения населения и промышленности.

Недостатки: большая зависимость от осадков и необходимость затопления больших площадей и переселения людей, что разрушает естественную наземную среду обитания для растений и животных.

Другим альтернативным источником энергии является приливная энергия. Приливная сила, как и обычная гидроэлектростанция, вращает турбину, соединенную с генератором. Однако в немногих местах строительство такой электростанции выгодно, поскольку эти электростанции характеризуются незначительной рентабельностью.

Ещё одним источником энергии может быть морская рябь. Большие океанские волны несут за собой значительное количество, только проблема заключается в ее эффективном приобретении. Маремоторные электростанции вырабатывают именно электроэнергию из энергии волн или морских и океанских течений.

Разница температур между теплыми поверхностными слоями и холодными глубоководными слоями моря также используется для получения энергии. Маретермические электростанции имеют, однако, очень мало пользы в производстве энергии.

К новаторским, но приобретающим всё большую популярность относится использование бытовых, промышленных и органических отходов (биомасса) для производства энергии. Последние используются для производства мазута, либо для производства т.н. «биогаза».

Преимущества: Самым большим преимуществом является нулевой баланс выбросов углекислого газа (CO₂), выделяемых при сжигании биомассы, а также более низкие, чем у ископаемого топлива, выбросы диоксида серы (SO 2), оксидов азота (NO_x) и окиси углерода (CO).

Недостатки: Этот источник энергии, имеющий так много преимуществ, однако, также имеет некоторые недостатки, среди которых можно упомянуть:

• относительно низкая плотность сырья, затрудняющая его транспортировку, хранение и дозирование,
• широкий диапазон влажности биомассы, затрудняющий ее подготовку к использованию в энергетических целях,
• меньше, чем в случае ископаемого топлива, энергетическая ценность сырья: для производства такого количества энергии, которое получается из тонны каменного угля хорошего качества, требуется около 2 тонн древесины или соломы,
• дело в том, что некоторые отходы доступны только сезонно.

Рубеж 20-го и 21-го веков - это период, когда потребность в энергии в обществе стала огромна и продолжает расти. Жить в наше время без электричества практически невозможно. Можно сказать, что она необходима для жизни, как вода или воздух. Само слово "энергия" происходит от греческого языка и означает деятельность.

Из представленных фактов складывается впечатление, что человечество находится на правильном пути развития альтернативных методов получения энергии. Однако они лучше всего функционируют на местном уровне, особенно в странах, где уровень экономического развития недостаточен и первоначально будет связан со значительным увеличением затрат на электроэнергию. По-прежнему многие методы, хотя и систематически совершенствуются - недостаточно эффективны, либо применяемые в них сложные технологии зависят от погодных условий или просто невыгодны. Поэтому трудно сказать, сколько времени потребуется, чтобы эти методы нашли широкое применение и доминировали в методах обычного получения электроэнергии.

В качестве вывода стоит перечислить общие для всех преимущества и недостатки возобновляемых источников энергии.

Преимущества:

• Нулевые выбросы - отсутствие или значительное сокращение выбросов загрязняющих веществ по сравнению с сжиганием ископаемого топлива, является одним из наиболее важных преимуществ чистой энергии. Выбросы всех видов парниковых газов и пыли при сжигании нефти и угля несут столько последствий, что перечислить их все действительно сложно.
• К наиболее важным можно отнести быстрое потепление климата, которое может полностью изменить жизнь на НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ, или более 5 миллионов преждевременных смертей, вызванных загрязненным воздухом. Возобновляемые источники энергии решают такие проблемы.
• Неограниченные ресурсы - в отличие от ископаемого топлива, возобновляемые источники постоянно обновляются. Реки постоянно текут, ветер дует, и солнце светит каждый день. Таким образом, мы можем избежать в будущем ситуации, подобной нынешней, когда ископаемое топливо начинает заканчиваться, и мы ищем альтернативные источники энергии.
• Экономия денег - хотя создание новых ветряных или солнечных электростанций довольно дорого, но в долгосрочной перспективе их затраты окупаются. Кроме того, вам не нужно платить за топливо, чтобы подпитывать их, в отличие от угля и нефти, которые нужно добывать, а затем транспортировать на электростанции.

Недостатки:

• Они не полностью экологичны - хотя ВИЭ гораздо более чистые, чем ископаемое топливо, они, тем не менее, также влияют на окружающую среду, но определенно меньше. Плотины и водохранилища оказывают очень неблагоприятное воздействие на экосистему рек, потому что они блокируют свободный поток мигрирующих рыб, таких как лосось и форель, вверх и вниз по течению. Кроме того, строительство плотины означает переселение целых городов людей из-за необходимости создания водохранилища, по оценкам, из-за этого было переселено более 80 миллионов человек. А сами затопленные районы выделяют метан из-за разлагающихся под водой растений, тем самым способствуя в некоторой степени потеплению климата. Очень большие ветряные электростанции могут ослабить силу ветра и усилить вертикальное движение ветра, что означает, что они могут в некоторой степени повлиять на климат. Кроме того, их сложно и дорого утилизировать.
• Колебания производительности - отсутствие стабильности в генерируемой мощности - один из самых больших недостатков возобновляемых источников. Их эффективность зависит от природных факторов. Ветер не всегда дует, и Солнце не светит ночью, из-за чего генерируемая мощность падает, и в настоящее время мы не можем полагаться на них на 100%.
• Они занимают большие площади - площадь, занимаемая ветряными и солнечными электростанциями, довольно велика по отношению к генерируемому электричеству. Для работы атомной электростанции мощностью 1 000 мегаватт требуется менее 3 км², в то время как ветряной электростанции требуется в 360 раз больше пространства, а фотоэлектрической электростанции-в 75 раз больше, чтобы производить столько же энергии.