Общемировое потребление энергии неуклонно растёт. Только лишь в 2021 году оно увеличилось на 5%. Способствует этому рост населения Земного шара и постоянное повышение его благосостояния. Согласно прогнозу, опубликованному в отчёте Управления энергетической информации США (IEA) International Energy Outlook 2021, при существующих политических и экономических тенденциях к 2050 году следует ожидать увеличения расхода энергии на 50%. Сценарий IEA утверждает, что значительную долю роста производства энергии на планете обеспечат альтернативные источники энергии. Такой вывод был сделан на основе анализа действующих законов и нормативов в области энергетики.
Но пока что мировая экономика продолжает использовать традиционные источники энергии, представленные в основном ископаемыми видами топлива – природным газом, нефтью, каменным и бурым углём, торфом, урановой рудой, а также силой падающей воды, нанося тем самым непоправимый вред окружающей среде. Сегодня они продолжают обеспечивать почти 95% потребления энергии. При том, что возведение ГЭС приводит к затоплению огромных территорий; сжигание невозобновляемых углеводородов на ТЭЦ сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, что ведёт к парниковому эффекту и к глобальному потеплению, а отходы АЭС представляют большую радиоактивную опасность.
Мировая общественность давно осознала угрозы, создаваемые хорошо освоенными методами получения электрической и тепловой энергии, и поэтому всё большее делает ставку на альтернативные возобновляемые ресурсы, отличающиеся широкой доступностью и экологической чистотой.
- Что такое альтернативные источники энергии
- Виды альтернативных источников энергии
- Гелиоэнергетика – Солнечная энергия
- Ветроэнергетика
- Биотопливо
- Геотермальная энергетика
- Мускульная сила человека
- Грозовая энергетика
- Криоэнергетика
- Гравитационная энергетика
- Управляемый термоядерный синтез
- Другие направления альтернативной энергетики
- Распределённое производство энергии
- Водородная энергетика
- Космическая энергетика
- Плюсы и минусы альтернативных источников энергии
- Развитие альтернативных источников энергии в России
- Страны-лидеры по освоению альтернативных источников энергии
- Заключение
- Вопросы и ответы
Что такое альтернативные источники энергии
Альтернативные или нетрадиционные источники энергии представляют собой возобновляемые энергетические ресурсы. ГОСТ Р 54531-2011 даёт такое определение возобновляемым источникам энергии: «Источники энергии, образующиеся на основе постоянно существующих или периодически возникающих процессов в природе, а также жизненном цикле растительного и животного мира и жизнедеятельности человеческого общества». Они включают в себя:
- энергию солнца и ветра;
- внутреннее тепло Земли;
- энергию приливов и отливов, энергию морских течений, микроГЭС и мини-ГЭС;
- изготовление биотоплива;
- МГД-генераторы;
- производство традиционных невозобновляемых источников энергии (топлив) по нетрадиционным технологиям в виде переработки вторичных твёрдых бытовых отходов, использование выделяемого угольными разработками, отходами и свалками газа; изготовления синтетического жидкого топлива и водоугольного топлива;
- технические средства преобразования различных видов энергии в электричество и тепло;
- реакцию управляемого термоядерного синтеза.
В отличие от невозобновляемых ресурсов, новые источники энергии, входящие в состав нетрадиционной энергетики, практически неисчерпаемы. К тому же они отличаются экологической безопасностью. Пока что альтернативные источники природных ресурсов не получили столь широкого распространения, как традиционные. Но процесс идёт и достаточно активно. Доля альтернативной энергетики в мире – возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мировом энергетическом балансе – на протяжении 2020-2021 годов составляла 28,1%, что несколько выше показателя 2019 года (26,3%), когда количество объектов ВИЭ возросло на 200 ГВт установленной мощности.
К альтернативным (возобновлямым) источникам энергии не относятся гидроэлектростанции традиционной гидроэнергетики, мощностью более 30 МВт. ГОСТ Р 54531-2011 «Нетрадиционные технологии. Возобновляемые и альтернативные источники энергии. Термины и определения». Указанный документ, разработанный Лабораторией возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ им. Ломоносова, на официальном государственном уровне даёт понятие всем основным терминам и определениям, применяемым к возобновляемым и альтернативным источникам энергии. Именно к нему и указанным в нём ссылкам на другие ГОСТы следует прибегать в случае каких-либо неясностей или противоречий.
Виды альтернативных источников энергии
Гелиоэнергетика – Солнечная энергия
Свыше 80 стран мира сегодня располагают солнечными электростанциями. Тем не менее, солнечные панели произвели в 2019 году лишь 2,7% мировой электроэнергии. Помимо солнечных батарей, свой вклад в гелиоэнергетику вносят:
- солнечные коллекторы, предназначенные для сбора тепловой энергии Солнца с целью повышения температуры материала-теплоносителя, одной из разновидностей которых выступает солнечный водонагреватель;
- энергетически башни, совмещающие солнечную и ветряную энергетику;
- наноантенны, преобразующие солнечную энергию непосредственно в электрический ток.
Потенциал устремляющейся на поверхность нашей планеты солнечной энергии достигает 173 ПВт или 173 млн ГВт. Этого достаточно, чтобы полностью закрывать потребности человеческой цивилизации при нынешнем уровне её развития в течение 10 000 лет! Но ничего подобно пока не происходит по причине зависимости солнечных элементов от погодных условий, сезонов года и времени суток, тем более, что эксплуатировать их в условиях северных широт экономически нецелесообразно.
Ветроэнергетика
С началом появления ветряных турбин более века тому назад, появилась прямая возможность преобразовывать энергию ветра в электрическую энергию. Первые установки были созданы в Соединённом Королевстве (1887 год) и в Соединённых Штатах (1888 год). Однако промышленное освоение процесса перемещения воздушных масс в атмосфере началось на территории Дании: в 1891 году была создана ветряная турбина с горизонтальной осью вращения, а в 1897 году дала ток ветряная установка высотой в 22 метра.
На более современном уровне сектор ветроэнергетики начал развиваться в 1980 годах. К 2020 году суммарная мощность всех установленных в мире ветрогенераторов составляла 743 ГВт (в 2019 году – 657 ГВт).
С точки зрения целесообразности технической и экономической целесообразности наиболее применимы схемы с автономными ветрогенераторами или схемы с ветрогенераторами, подключёнными к электрической сети. Более подробно с материалом на данную тему можно познакомиться в статье:
Биотопливо
С самого начала своего существования человеческая цивилизация приступила к использованию биотоплива. Собирая остатки древесины, наши далёкие предки разводили огонь, согревая тем самым свои жилища и приготавливая на кострах и очагах пищу. И до сих пор 38% жителей нашей планеты продолжают активно использовать традиционные формы биотоплива в виде дров, растительных остатков, сушёного навоза. Их доля в общемировом потреблении биоресурсов в качестве топлива составляет 54-60%.
Употребляемое в энергетических целях современное биотопливо подразделяется по своему агрегатному состоянию:
- на жидкое топливо, используемое в двигателях внутреннего сгорания, представленное биодизелем, метанолом и этанолом;
- твёрдое топливо: дрова, хворост, щепа, стружка, опилки, иные отходы процесса деревообработки, брикеты, солома, костра, лузга; топливные гранулы;
- газообразное топливо: биогаз, водород, синтез-газ.
По мере развития биотопливной энергетики, сырьё для её нужд, выступающее в роли одного из альтернативных сырьевых источников для производства энергии, начинает распадаться на три поколения:
- Первое из них включает с себя богатые жирами, крахмалом и сахарами сельскохозяйственные культуры;
- Посредством пиролиза биомассы получают биотопливо второго поколения. Здесь имеет место использование альтернативных сырьевых источников (биомассы в виде остатков растительных культур, водорослей, что могут произрастать в солёной или загрязнённой воде, растения рыжика, Ятрофы, древесины хвойных пород) с целью организации одного из процессов органического синтеза (пиролиза);
- Третье поколение нацелено на преобразование водорослей в топливо. Направление достаточно перспективно по причине быстрого воспроизводства и значительной концентрации биомассы в природных водоёмах, однако требует проведения дальнейших исследований.
Геотермальная энергетика
Недра Земли обладают настолько значительным тепловым потенциалом, что только лишь поток тепла, излучаемый от ядра к поверхности, может 17 раз покрыть тепловые потребности населения планеты. Именно на его использовании основана геотермальная энергетика, освоившая на практике отбор нагретых до высокой температуры грунтовых вод (одно из направлений гидротермальной энергетики), а также потребление тепла от грунта посредством применения грунтовых теплообменников (петротермальная энергетика).
Для сведения: ГОСТ Р 54531-2011 различает пять типов источников геотермальной энергии:
- месторождения геотермального сухого пара;
- источники влажного пара, содержащего смесь горячей воды и пара;
- месторождения геотермальной воды, в составе которой присутствует горячая вода или пар совместно с горячей водой;
- сухие скальные породы, на глубине в 2 км разогретые магмой, энергетические запасы которых наиболее велики;
- магму в виде разогретых до 1300° С горных пород.
Логично, что широкое использование геотермальных источников нашло распространение в местах, отличающихся вулканической активностью, то есть на территории:
- Мексики, Никарагуа, Коста-Рики,
- Исландии, Франции, Италии, Литвы,
- Кении,
- Таджикистана,
- Китая, Японии, Филиппин, Индонезии,
- Новой Зеландии.
В Российской Федерации к таким регионам можно отнести Ставропольский и Краснодарский край, Дагестан и Камчатку.
Мускульная сила человека
Мускульная сила человека – это тоже альтернативный источник энергии, причём самый древний и используемый на протяжении всей жизни при любых обстоятельствах. Одним из направлений её применения с целью перемещения в пространстве (нередко и в неблагоприятных условиях поверхности земли) служат разнообразные приспособления и механизмы: лыжи, коньки, санки, снегоступы, болотоступы; самокаты, велосипеды, веломобили.
Здесь уместным будет упомянуть и мускульную силу прирученных домашних животных, активно используемых человеком для своих хозяйственных нужд.
Грозовая энергетика
Пока что грозовая энергетика, пытающаяся уловить энергию молний и затем передать её в электрическую сеть или непосредственно потребителю, носит лишь экспериментально-теоретический характер. Причина в том, что грозовая активность достаточно переменчива, а сам разряд молнии длиться доли секунд, поэтому осваивать его нужно максимально быстро. А это, требует создания достаточно мощных и высокоэффективных конденсаторов, что экономически весьма нецелесообразно.
К таким же результатам, привели пока что и все попытки освоить атмосферное электричество, теоретические основы которого пока что досконально не разработаны. Изготовленные в 1920-х годах финским доктором Германом Плаусоном 2 аэростата (выполненные из листов магниево-алюминиевого сплава, покрытого острыми иглами) выдали на высоте 300 метров всего лишь 3,4 кВт электрической мощности. Видео лекция на тему атмосферного электричества:
Криоэнергетика
В основе криотехнологических процессов, нашедших применение в энергетических целях, лежит глубокое охлаждение воздуха до температуры в -196° С. В результате чего он превращается в жидкость, сохраняемую на протяжении нескольких недель. При необходимости жидкая смесь азота и кислорода (в результате процесса сжижения воздух распадается на составляющие его химические вещества) поступает на испаритель, пребывающий в условиях обычной атмосферной температуры. Гигантская разница температур приводит к резкому повышению давления образовавшихся газов, воздействующих на лопатки турбины, что вращает генератор, занятый выработкой электрического тока.
Именно таким способом аккумулируется избыточная энергия в энергосистемах. Практическое воплощение можно увидеть неподалёку от Хитроу – лондонского аэропорта, в промышленной зоне Слау.
Помимо электрической энергии CES-станции (станции использующей все компоненты криогенного аккумулятора) способны производить технические газы и обеспечивать холодом предприятия пищевой, химической и металлургической отраслей промышленности. При этом КПД их достигает 83%! Интереснейший видеоматериал материал на тему размещён здесь:
Гравитационная энергетика
Один из разделов альтернативной энергетики, предназначенный для аккумулирования излишков энергии. Осуществляется это за счёт подъёма массивных грузов на значительную высоту.
Компанией «Энергозапас» из новосибирского Академгородка в своё время была разработана технология ТАЭС. Твердотельной аккумулирующей станции, суть которой заключается в выработке энергии при опускании грузов под воздействием сил притяжения Земли, предварительно доставленных на несколько сотен метров высоты. Для удобства пользователей в их качестве употребляются местный грунт или зола. Продолжительность работы ТАЭС составляет 50 лет, а КПД составляет 80%.
Нечто подобное было реализовано и компанией Energy Vault, но уже на базе подъёмного крана с шестью стрелами и многотонными блоками.
Управляемый термоядерный синтез
Неверно утверждение, что к альтернативным источникам энергии относится ядерная энергетика. Зато процесс управляемого термоядерного синтеза, обещающий доступ к гигантскому количеству энергии, вполне мог бы стать одним из самых важных элементов нетрадиционной энергетики.
История его развития отсылает нас к 50-м годам XX-го столетия. Временам, когда американский физик Л. Спитцер впервые заговорил о стеллаторах, а учёные из Советского Союза приступили к созданию серии токамаков. Эксперименты по удержанию плазмы посредством использования процессов магнитного и инерционного управляемого термоядерного синтеза продолжаются и по сегодняшний день. Но говорить об их практическом применении с целью промышленной выработки электроэнергии пока ещё рано.
Другие направления альтернативной энергетики
Не одни только альтернативные ресурсы, представленные нетрадиционными источниками энергии, представляют интерес для энергетики. Есть и другие необычные способы получения и сохранения энергии.
Распределённое производство энергии
Альтернативные способы получения электроэнергии, тепловой энергии, а также холода включают также концепцию строительства компактных и достаточно мобильных источников, предназначенных для удовлетворения собственных нужд, а иногда и для передачи излишков энергии в системы централизованного снабжения. Что подразумевает создание таких источников в непосредственной близости от потребителей или их перевозку с места на место.
Такие технологические решения достаточно удобны и при этом обладают многими преимуществами. Поэтому на законодательном уровне предусматриваются широкие меры поддержки по созданию и эксплуатации объектов малой генерации. Примерами таких объектов, реализованных в виде контейнерных, мобильных и сборных энергоблоков выступают:
- газопрошневые, газотурбинные и микротурбинные электростанции,
- тепловые насосы и паровые котлы,
- ветровые генераторы и солнечные батареи,
- топливные элементы,
- когенерационные и тригенерационные установки.
Водородная энергетика
Преимущества водорода в качестве одного из источников энергии очевидны. В сравнении с иными видами топлива он обладает наибольшей теплотой сгорания, имеет минимальный удельный вес и выступает самым распространённым во Вселенной химическим элементом. Он достаточно удобен для хранения и транспортировки, при этом результатом его химической реакции с кислородом выступает вода, опять же используемая в водородной энергетике.
Объёмы получения столь ценного в энергетическом плане топлива обеспечены: на 4,3% за счёт выработки «зелёного» водорода из ВИЭ, на 18% за счёт переработки угля, на 78% посредством переработки нефти и газа.
Космическая энергетика
Используя фотоэлектрические элементы можно получать электроэнергию путём улавливания солнечной энергии на околоземной орбите или на Луне. В форме микроволнового излучения её в дальнейшем можно транспортировать на Землю. Пока такой метод получения энергии в силу сложности и высокой цены технических установок не используется. Зато активно применяются управляемые силовой электроникой фотоэлектрические солнечные панели, устанавливаемые на космических аппаратах, работающих во внутренней Солнечной системе (за пределами орбиты Юпитера излучение Солнца недостаточно, чтобы использовать его в рамках нынешних технологий).
Плюсы и минусы альтернативных источников энергии
С течением времени традиционные источники топлива – месторождения нефти, газа и угля постепенно иссякают, и на смену им волей-неволей приходят альтернативные (нетрадиционные) источники энергии. Это объективный процесс. Выгоднее не сжигать углеводороды, а использовать их как сырьё для химической промышленности. Но, как и все материальные средства, возобновляемые энергетические ресурсы не лишены определённых недостатков.
Преимущества альтернативных источников обусловлены:
- Экологичностью, позволяющей не загрязнять окружающую среду вредными веществами.
- Доступностью многих видов ВИЭ. Их значительное разнообразие позволяет сегодня многим странам мира акцентировать свою энергетическую политику на использовании наиболее актуальных в местных условиях средств альтернативной энергетики.
- Низкой себестоимостью вырабатываемой энергии. За солнечную энергию, ветер, энергию водных потоков, земное тепло платить не приходится.
Возникающие проблемы и недостатки:
- Высокая цена технических средств и установок – основной сдерживающий фактор развития альтернативной энергетики и первая серьёзная проблема.
- Переменчивый характер вырабатываемой мощности, объясняемый высоким уровнем зависимости от внешних факторов. Но это происходит лишь в случае использования возобновляемых источников энергии: СЭС, ВЭС, ПЭС.
- Очень малая мощность и достаточно низкий КПД (правда, отнюдь не всегда). Это вторая наиболее серьёзная проблема.
- Некоторое влияние на климат (посев культур для биотоплива, строительство ГЭС, масштабное использование космической энергии могут вызвать локальные процессы его изменения) и животный мир, плюс – необходимость утилизации отработанных частей и оборудования.
Вывод здесь достаточно очевиден: основными сдерживающими факторами выступают лишь вопросы экономической целесообразности!
Развитие альтернативных источников энергии в России
В России альтернативная энергетика к середине 2022 года обеспечивала лишь 0,5% энергетических потребностей рынка. И, скорее всего, такая тенденция сохранится надолго. Возможно к 2028 году альтернативные ветряные и солнечные электростанции в России будут составлять 3% в структуре установленной мощности. Прогноз, сделанный компанией «Ток Арсенал» говорит о 2% доли рынка к 2030 году.
В нашей стране достаточно много запасов топливных полезных ископаемых и в общероссийской экономике ведущие позиции удерживают занятые их добычей гигантские энергетические компании. Поэтому альтернативные источники выработки энергии – это пока что явление скорее экзотическое, экспериментальное, чем повсеместное и широко распространённое. Хотя меры государственной поддержки оказываются. Так в 2019 году была принята программа развития солнечной и ветровой энергетики, а распоряжением Правительства РФ от 5 августа 2021 года за № 2162-р утверждена концепция развития водородной энергетики.
Возобновляемая энергетика России представлена (не будем считать достаточно мощные 102 ГЭС и ГАЭС, которые хотя и не являются альтернативными источниками энергии, зато обеспечивают нашей стране 5 место в мире по выработке электроэнергии гидроэлектростанциями, обладающими к 2021 году совокупной мощностью в 52 501 МВт):
- Почти сотней ГЭС мощностью до 6 МВТ (общая мощность станций составляет 90 МВт, что позволяет ежегодно вырабатывать 200 млн кВт∙ч электроэнергии). Расположены они большей частью на Северном Кавказе;
- Несколькими крупными ветропарками на юге Европейской части России, в Ульяновской области, Башкирии, Чукотском автономном округе и Камчатском крае. К 2021 году ветроэнергетические мощности страны достигали 1 955 МВт, выработанная ими электроэнергия за период 2020 года составила 1 384 млн кВт∙ч;
- Солнечными электростанциями, общей мощностью в 1 768 МВт (середина 2021 года), выработавшими в 2020 году 1 982 млн кВт∙ч электрической энергии;
- Мощностью геотермальной энергетики (Дагестан, Камчатка, Курилы) в 81 МВт (2021 год);
- Четырьмя биогазовыми станциями: мини-ТЭС «Курьяново» и «Люберцы», что работают в Москве и станциями Байцуры и Лучки, что эксплуатируются в Белгородской области, общей установленной мощностью в 30,24 МВт. Годовая выработка электрической энергии достигает примерно 180 млн кВт∙ч;
- Частными установками домовладельцев и бизнесменов.
Интересно отметить, что в России её среднестатистический житель расходует ежегодно 1000 кВт∙ч электроэнергии. За рубежом эта цифра достигает 3000-6000 кВт∙ч. Нам есть куда расти и что тратить! Ведь экономический потенциал ВИЭ России достигает 270 млн тонн условного топлива в год!
Страны-лидеры по освоению альтернативных источников энергии
Постепенно и неуклонно альтернативная энергия завоёвывает нашу планету. Альтернативные ветряные, солнечные, геотермальные электростанции строятся повсюду. Пока что лидирующие позиции здесь удерживают государства Евросоюза. В Европе в ряде стран доля альтернативной энергетики составляет 40%. Не отстают от них государства Востока и США.
Таблица мировых лидеров развития альтернативной энергетики:
| Вид энергетики | Страны-лидеры |
| Гидроэнергетика | Китай, Бразилия, США, Канада, Россия, Индия, Норвегия, Турция, Япония и Франция. |
| Ветровая | Китай, США, Германия. |
| Солнечная | Китай, Япония, США, Германия. |
| Биоэнергетика | Бразилия, Китай, США, Индия, Германия. |
| Геотермальная | США, Индонезия, Филиппины, Турция, Новая Зеландия, Мексика, Италия, Исландия, Кения, Япония. |
Заключение
Сегодня, обратившись к интернету, каждый желающий может узнать, что такое альтернативные источники энергии и есть ли у них будущее. Безусловно, есть: и прошлое, и настоящее, и перспективное будущее. Ведь углеводородные топлива постепенно иссякают, а топить ими топки котлов нерентабельно. Афоризм от Д. И. Менделеева «Сжигать нефть – всё равно, что топить печку ассигнациями» по-прежнему актуален.
Но не всё так просто и однозначно. Весьма вероятно, что ещё достаточно долго традиционные источники энергии будут сохранять свои позиции. Поэтому необходим разумный подход к совместному использованию невозобновляемых и возобновляемых источников энергии, для того, что они могли взаимно дополнять друг друга.
