Альтернативні джерела енергії: плюси та мінуси

Енергія була, є і завжди буде потрібна людям, насамперед вона потрібна нам для виробництва тепла, освітлення та транспортування. Вона виробляється у вигляді електричного струму, який буде необхідний для освітлення, роботи промисловості, телекомунікацій і транспорту, який можна легко передавати на великі відстані. Енергія, що виробляється у вигляді тепла, використовується для опалення квартир, приготування їжі або промисловості. У вигляді палива вона використовується в автомобілях, поїздах, авіації та інших транспортних засобах.

Джерела енергії – це будь-які речовини, явища, процеси, об'єкти чи пристрої, які можуть бути використані (безпосередньо або після реалізації відповідного ланцюжка перетворень) для задоволення енергетичних потреб людини.

Як правило, під джерелом енергії розуміються джерела первинної (не обробленої) енергії, тобто хімічної енергії, енергії палива, ядерної енергії, енергії води, енергії надр Землі (геотермальної), енергії повітряного потоку (вітрів), енергії сонячного випромінювання (сонячної).

Джерела та носії первинної енергії можна розділити на невідновлювані, які значною мірою і в „людському” тимчасовому горизонті не підлягають відновленню, наприклад: деревина, торф, кам'яне вугілля, буре вугілля, нафта, природний газ, уран та відновлювані, тобто практично не виснажуються: випромінювання Сонця, вітри, біомаса, вода, хвилі, морські припливи та геотермальна енергія.

Відновлювані джерела енергії все більше використовуються з кожним роком, і це вже не просто цікавість. Будинки, корпорації та навіть цілі держави вкладають величезні гроші в альтернативні джерела енергії.

Багато хто вказує на те, що відновлювані джерела енергії відіграватимуть ключову роль у забезпеченні нас електрикою в майбутньому. Принаймні, 47 країн світу вже виробляють понад половину електроенергії з відновлюваних джерел, та, за оцінками, у 2025 році ВДЕ перевершать вугілля та стануть найбільшим джерелом електроенергії.

Сонячна та вітрова енергія дуже динамічно розвивається в усьому світі. Це дуже хороша новина, але варто додати, що електрика є лише однією з частин енергії, яку ми використовуємо (енергетичний мікс). Дві інші частини - транспортування та опалення.

У той час як низьковуглецеві джерела забезпечують понад 36% електроенергії у світі, у загальній енергетичній суміші вони становлять лише 15%. Це тому, що транспорт та опалення набагато більше залежать від викопного палива, ніж від виробництва електроенергії.

У транспорті рішенням є електромобілі, але це також пов'язано зі збільшенням попиту на електроенергію, який, як очікується, збільшиться в 11 разів з доковідного 2019 по 2030 рік. Це робить ВДЕ ще більш актуальними.

Основною та все більш поширеною причиною використання альтернативних джерел енергії є потепління клімату. Це призводить до танення льодовиків, і через це можуть бути затоплені землі і прибережні міста. Це з тим, що при спалюванні нафти у повітря потрапляють забруднюючі речовини і шкідливі речовини. Ці забруднювачі утримують тепло і не дозволяють йому виходити в космос. Відбувається накопичення тепла, у результаті створюється парниковий ефект.

Виснаження запасів енергоресурсів та нафтові кризи змусили світ шукати альтернативні джерела енергії. Зростання витрат на виробництво енергії та ризик виснаження енергетичних ресурсів є рушійною силою пошуку альтернативних джерел енергії. Насамперед зверталися до найдавніших, відомих упродовж століть рішень. До них відноситься використання сили вітру та Сонця.

Вітряна електростанція виробляє електроенергію з вітру за допомогою вітряного двигуна, з'єднаного з електричним генератором. Електрика, що отримується від вітру, є екологічно чистою, тому що її виробництво не спричиняє спалювання будь-якого палива. Велика звичайна електростанція має потужність близько 1000 МВт, для її заміни потрібно до 1000 таких вітрогенераторів . У деяких країнах будуються вітряні електростанції, що складаються з безлічі турбін, розташованих близько одна до одної. Однак громадськість іноді не схвалює цей тип інвестицій, бо вони псують ландшафт, тож майбутнє таких електростанцій невизначене. Слід, однак, визнати, що невеликі поодинокі турбіни є відмінним джерелом енергії у місцях, віддалених від центрів цивілізації, де немає зв'язку з національною енергосистемою. ККД цього типу електростанції не перевищує 40%.

Переваги: відновлюване джерело енергії, низькі експлуатаційні витрати, низька початкова вартість виробництва енергії, екологічно чисті технології. Можливість розміщення на пустирях та забруднених територіях зниження безробіття (постійна зайнятість для біля 5000 осіб).

Недоліки: Висока вартість будівництва та обслуговування. Потворить ландшафт, для заміни великої звичайної електростанції вимагатиме використання кількох вітряків. Займає великі площі, втрачені сільського господарства. Шум турбін. Залежність від вітру. Вони заважають прийому радіо- та телевізійних хвиль.

Природні види палива, такі як вугілля і нафта, що експлуатуються, як і раніше, з тією ж швидкістю, що й зараз, починають повільно виснажуватися, що в кінцевому підсумку призведе до їх повного зникнення, принаймні так вважається офіційно.

Ще одним аргументом на користь використання альтернативних джерел енергії є постійне забруднення довкілля. Електростанції, що працюють на шахтному паливі, виділяють шкідливі гази (окис вуглецю, діоксид вуглецю, оксиди азоту та сірки) та пил, що сприяють утворенню кислотних дощів, які викликають в'янення рослинності та ерозію будівель та споруд.

Атомні електростанції, які здавалися гарною альтернативою, досить ризиковані, прикладом може бути Чорнобильська катастрофа 1986 року та аварія на АЕС у Фокусімі 2011 року. Втім, їх використання триватиме, найбільше енергії - понад 10% зараз виробляють саме АЕС. Вона вважається відновлюваною (хоч і неофіційно) тільки в тому випадку, якщо станція функціонує в замкнутому паливному циклі, тобто коли відходи, що утворюються, повторно використовуються як паливо реактора.

Розвиток технологій дозволяє вірити, що в майбутньому всі нові ядерні реактори функціонуватимуть у замкнутому циклі, що зробить ядерну енергію повністю відновлюваною. Навіть «Зелені» почали визнавати, що АЕС екологічна, під тиском промисловців.

Переваги: Велика кількість енергії виходить із невеликої кількості палива - 1 кг урану врівноважує 3000 тонн вугілля. За нормальної експлуатації вони практично нешкідливі. Низькі експлуатаційні витрати після запуску.

Недоліки: Якщо електростанція не має належних систем безпеки, є загроза забруднення у разі відмови. Проблеми із зберіганням відпрацьованого палива. Високі витрати на будівництво та знесення електростанції, коли вона завершить свою діяльність.

Походження використання Сонця як джерела енергії перегукується з IV в до н.е., коли греки використовували сонячні промені, зосереджені у скляній кулі, наповненій водою, для розпалювання вогню. З другої половини XX століття на розвиток цього методу робиться великий наголос, що приносить відчутні результати.

З усіх джерел енергії сонячна енергія є найбезпечнішою. Близько 30% сонячної радіації, що надходить на нашу планету, відбивається атмосферою, 20% поглинається нею і лише 50% досягає Землі. Однак сонячна енергія, яка надходить до нас, використовується мало. Можливості її використання стикаються із технологічними перешкодами. Сонячні батареї потужністю 1000 МВт повинні мати площу 104 м². Найбільше сонячних днів на рік припадає на райони, розташовані в низьких широтах. З вищезгаданих причин сонячні батареї популярні лише у домашніх господарствах та на невеликих фермах. Розміщені на дахах будівель вони нагрівають воду або використовуються для сушіння зерна або кормів.

Переваги: Це чисте джерело відновлюваної енергії, і сонячні елементи не вимагають особливого догляду, крім очищення, вони є надійними, легка установка колекторів.

Недоліки: Для створення фотоелектричних елементів використовуються токсичні елементи (кадмій, миш'як, селен, телур), а установка елементів займає великі площі. Складність використання цього джерела енергії пов'язана, зокрема, із мінливістю добової та сезонної сонячної радіації. До недоліків також відноситься низька добова густина потоку енергії сонячного випромінювання, яка навіть в екваторіальних районах становить лише 300 Вт / м².

У домашніх чи сільських господарствах протягом багатьох років також використовувалися геотермальні ресурси, тобто енергія гарячих джерел та гейзерів. На геотермальних електростанціях (геоелектричних заводах) електроенергія виробляється з енергії надр Землі. Термальні води на глибині 250-600 м можуть досягати температури близько 3000 С. Однак ККД такої електростанції складає близько 20-25%.

Переваги: Серед основних переваг геотермальної енергії - велика здатність генерувати енергію при збереженні незначного впливу на навколишнє середовище. Завдяки технологіям, що дозволяють пробивати 10 км углиб Землі, це може бути джерелом енергії, доступним практично будь-де планети. Вода, що використовується, повторно нагрівається і використовується в системах центрального опалення.

Недоліки: Дорожнеча установок. Технічні проблеми під час обслуговування устаткування. Відповідні породи зустрічаються у небагатьох місцях у світі. Виділяється радон і сірководень. Небезпека забруднення глибоководних джерел.

Гідроелектростанція перетворює енергію течії води на електрику, використовуючи водяну турбіну, з'єднану з генератором електроенергії. Ефективність таких електростанцій безперечно вище, ніж в інших електростанцій, і в середньому становить від 80 до 90%. У світі енергія річок задовольняє близько 3% потреби у первинній енергії. Енергія річок вважається невичерпною, але в умовах зміни клімату, що призводить до пересихання річок, це все дуже відносно.

Переваги: Це чисте відновлюване джерело енергії, є можливість швидкої зупинки та запуску електростанції, а також невеликі проблеми при обслуговуванні та експлуатації електростанції, можливість створення штучних водойм, які накопичують воду, тим самим знижуючи ризик повеней. Поглинання цієї енергії дуже вигідно як за екологічним, так і за економічним характером, оскільки вона забезпечує екологічно чисту енергію та регулює водні відносини, збільшуючи утримання поверхневих вод, що покращує умови вирощування сільськогосподарських культур та умови водопостачання населення та промисловості.

Недоліки: велика залежність від опадів та необхідність затоплення великих площ та переселення людей, що руйнує природне наземне місце існування для рослин і тварин.

Іншим альтернативним джерелом енергії є приливна енергія. Приливна сила, як і звичайна гідроелектростанція, обертає турбіну, поєднану з генератором. Однак у небагатьох місцях будівництво такої електростанції вигідне, оскільки ці електростанції характеризуються незначною рентабельністю.

Ще одним джерелом енергії може бути морська бриж. Великі океанські хвилі несуть за собою значну кількість, лише проблема полягає у її ефективному придбанні. Маремоторні електростанції виробляють саме електроенергію з енергії хвиль чи морських та океанських течій.

Різниця температур між теплими поверхневими шарами та холодними глибоководними шарами моря також використовується для отримання енергії. Маретермічні електростанції мають, однак, дуже мало користі у виробництві енергії.

До новаторських, але таким, що набуває все більшої популярності, відноситься використання побутових, промислових і органічних відходів (біомаса) для виробництва енергії. Останні застосовуються для виробництва мазуту, або для виробництва т.зв. «біогазу».

Переваги: Найбільшою перевагою є нульовий баланс викидів вуглекислого газу (CO₂), що виділяються при спалюванні біомаси, а також нижчі, ніж викопне паливо, викиди діоксиду сірки (SO 2) , оксидів азоту (NO_x) і окису вуглецю (CO).

Недоліки: Це джерело енергії, що має так багато переваг, однак також має деякі недоліки, серед яких можна згадати:

• відносно низька щільність сировини, що ускладнює його транспортування, зберігання та дозування,
• широкий діапазон вологості біомаси, що ускладнює її підготовку до використання в енергетичних цілях,
• менше, ніж у разі викопного палива, енергетична цінність сировини: для виробництва такої кількості енергії, яка виходить з тонни кам'яного вугілля гарної якості, потрібно близько 2 тонн деревини або соломи,
• річ у тому, що деякі відходи доступні лише сезонно.

Рубіж 20-го та 21-го століть - це період, коли потреба в енергії в суспільстві стала величезною і продовжує зростати. Жити у наш час без електрики практично неможливо. Можна сказати, що вона необхідна для життя, як вода чи повітря. Саме слово "енергія" походить від грецької мови та означає діяльність.

З наведених фактів складається враження, що людство перебуває на правильному шляху розвитку альтернативних методів отримання енергії. Однак вони найкраще функціонують на місцевому рівні, особливо в країнах, де рівень економічного розвитку недостатній та спочатку буде пов'язаний із значним збільшенням витрат на електроенергію. Як і раніше, багато методів, хоча й систематично вдосконалюються - недостатньо ефективні, або застосовувані в них складні технології залежать від погодних умов або просто невигідні. Тому важко сказати, скільки часу потрібно, щоб ці методи знайшли широке застосування та домінували у методах звичайного отримання електроенергії.

Як висновок варто перерахувати загальні для всіх переваги та недоліки відновлюваних джерел енергії.

Переваги:

• Нульові викиди - відсутність або значне скорочення викидів забруднюючих речовин у порівнянні зі спалюванням викопного палива, є однією з найважливіших переваг чистої енергії. Викиди всіх видів парникових газів та пилу при спалюванні нафти та вугілля несуть стільки наслідків, що перерахувати їх все справді складно.
• До найважливіших можна віднести швидке потепління клімату, яке може повністю змінити життя на нашій планеті, або понад 5 мільйонів передчасних смертей, спричинених забрудненим повітрям . Відновлювані джерела енергії вирішують такі проблеми.
• Необмежені ресурси - на відміну копалин палива , відновлювані джерела постійно оновлюються. Річки постійно течуть, вітер дме, і сонце світить щодня. Таким чином, ми можемо уникнути в майбутньому ситуації, подібної до нинішньої, коли викопне паливо починає закінчуватися, і ми шукаємо альтернативні джерела енергії.
• Економія грошей - хоча створення нових вітряних або сонячних електростанцій досить дороге, але в довгостроковій перспективі витрати окупаються. Крім того, вам не потрібно платити за паливо, щоб підживлювати їх, на відміну від вугілля та нафти, які потрібно видобувати, а потім транспортувати на електростанції.

Недоліки:

• Вони не повністю екологічні - хоча ВДЕ набагато чистіші, ніж викопне паливо, вони також впливають на навколишнє середовище, але виразно менше. Греблі і водосховища дуже несприятливо впливають на екосистему річок, тому що вони блокують вільний потік мігруючих риб, таких як лосось і форель, вгору і вниз за течією. Крім того, будівництво греблі означає переселення цілих міст людей через необхідність створення водосховища, за оцінками, через це було переселено понад 80 мільйонів людей. А самі затоплені райони виділяють метан через рослини, що розкладаються під водою, тим самим сприяючи деякою мірою потеплінню клімату. Дуже великі вітряні електростанції можуть послабити силу вітру та посилити вертикальний рух вітру, що означає, що вони можуть певною мірою вплинути на клімат. Крім того, їх складно та дорого утилізувати.
• Коливання продуктивності - відсутність стабільності в потужності, що генерується, - один з найбільших недоліків відновлюваних джерел. Їхня ефективність залежить від природних факторів. Вітер не завжди дме, і Сонце не світить вночі, через що потужність, що генерується, падає, і в даний час ми не можемо покладатися на них на 100%.
• Вони займають великі площі - площа, займана вітряними і сонячними електростанціями, досить велика по відношенню до електрики, що генерується. Для роботи атомної електростанції потужністю 1 000 мегават потрібно менше 3 км², в той час як вітряної електростанції потрібно в 360 разів більше простору, а фотоелектричної електростанції - в 75 разів більше, щоб виробляти стільки ж енергії.