Возобновляемые источники энергии: решение для будущего?

В настоящее время возобновляемые источники энергии – это окружающие нас естественные ресурсы или природные процессы, посредством использования которых можно производить электрическую или тепловую энергию. Нередко технологии преобразования естественных ресурсов приводят к возникновению искусственно созданных топлив, подчас пребывающих в особых условиях хранения и эксплуатации, но сути дела это не меняет.

Ведь область использования ВИЭ (возобновляемых источников энергии) – это альтернативная энергетика. То есть, то направление, которое не приемлет методов работы традиционной энергетики, основанных на технологиях сжигания углеводородов – угля, нефти, газа, торфа или технологиях использования атомной энергии.

Здесь необходимо отдельно сказать о гидроэлектростанциях, которые по целому ряду причин экологического плана не входят в список средств альтернативной энергетики, хотя по принципу работы именно к таковым и относятся. Также к одному из средств нетрадиционной энергетики – пока ещё пребывающему в стадии научных исследований и разработок – причислена термоядерная энергетика, принцип действия которой должен быть основан на осуществлении управляемой реакции термоядерного синтеза.

Неиссякаемость, неисчерпаемость ВИЭ обусловлена заложенными в их основе природными явлениями, стартовавшими во времена возникновения Солнечной системы. В основе их лежит постоянно излучаемая энергия Солнца и внутренняя энергия Земли, конца которым в обозримом будущем человечества пока что не предвидится. Вот почему восполнение таких видов энергии происходит естественным путём.

Мир вовсе не собирается мириться с изменением климата и с процессом исчерпания ископаемых топлив. Одним из свидетельств борьбы с угрозами становится повсеместное развитие нетрадиционной энергетики, год за годом отвоёвывающей всё большие позиции на мировом энергетическом рынке. В основе принципиально нового подхода к производству энергии лежат: принцип возобновления (быстрой регенерации) природных ресурсов и принцип минимизации вреда, наносимого окружающей среде, осуществляющийся за счёт сокращения выброса в атмосферу парниковых газов.

Виды возобновляемых источников энергии

Возобновляемая энергия окружает нас всюду. К возобновляемым источникам энергии в текущем моменте развития зелёной энергетики относятся:

Солнечная энергия

Ресурс, обеспечивающий бесконечное энергетическое богатство нашей планеты, играющий роль первоосновы многих альтернативных источников энергии. Один из самых чистых ВИЭ, доступный везде и всегда в любую погоду.

Действительно, современные солнечные панели способны генерировать электроэнергию и во время дождя и даже в процессе снегопада. Для чего необходимо их устанавливать под определённым углом, увеличивающимся по мере приближения к экватору. Себестоимость производства солнечных панелей за последние 10 лет резко упала, а сами они стали приобретать разнообразные формы и виды изготовления, вплоть до гибкой тонкой плёнки. Плюс к этому – срок службы, составляющий 30 лет и возможность выбора любого цвета.

Столь значительный набор достоинств делает использование солнечных панелей не только весьма доступным, но подчас и самым дешёвым способом выработки электроэнергии. При необходимости можно воспользоваться солнечными коллекторами, производящими горячую воду, тепло для отопительных нужд, а также производящими кондиционирование воздуха.

Национальная лаборатория возобновляемой энергетики (NREL) утверждает, что на нашу планету ежечасно попадает больше солнечной энергии, чем расходуется всеми потребителями за год. А в течение года поступает столько (173 млн ГВт), что за её счёт можно 10 000 раз удовлетворить общемировые потребности в энергии! А пока что удовлетворяет лишь на 3,7%.

Энергия ветра

Возобновляемые источники механической энергии, примерами которых выступают энергия падающей воды, и энергия ветра на протяжении тысячелетий служат человечеству. 

По данным Всемирной метеорологической организации энергетический потенциал ветра на нашей планете составляет 170 трлн кВт∙ч, что предоставляет возможность производить до 1,18∙10¹³ кВт∙ч электроэнергии ежегодно. Это стократно превышает гидроэнергию всех рек на Земле. Однако к окончанию 2022 года – на протяжении, которого был зарегистрирован рост мощностей ветровой энергетики на 75 ГВт – мы имеем лишь 3372 ГВт установленной ветроэнергетической мощности.

Мощности, что вырабатывается ветряными турбинами, установленными или на суше или в морях, посредством преобразования кинетической энергии движущихся воздушных масс в энергию электрическую, тепловую или механическую. Помимо ветряных турбин, оснащённых ветрогенераторами, в прошлом достаточно широкое распространение имели ветряные мельницы и устанавливаемые на судах паруса.

Сегодня наиболее перспективными местами установки ветроэлектростанций (ВЭС) считаются прибрежные зоны, так именно там наблюдаются стабильные сильные ветровые потоки, а сами станции не мешают осуществлению хозяйственной деятельности.

Энергия воды

Крупнейший источник возобновляемой энергии, чей принцип действия основан на высотном перемещении воды сверху вниз. Для чего обычно сооружают водохранилища и плотины, хотя существует альтернатива строительства бесплотинных ГЭС. Возводятся названные сооружения на реках или на озёрах – местах доступа к большим объёмам воды, посредством падения с высоты, передающих свою кинетическую энергию гидротурбинам, вращающим вырабатывающие электрический ток гидрогенераторы.

Несомненными достоинствами гидроэлектростанции выступают:

• низкая себестоимость производимой электроэнергии,
• использование искусственно созданных водоёмов с целями: питьевого водоснабжения, ирригации, борьбы с засухами, паводками, наводнениями, проведения навигации, строительства транспортных сооружений. Однако крупные ГЭС, сопровождаемые строительством множества гидросооружений, оказывают весьма неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Вот почему многие сторонники защиты экосистем отдают здесь пальму первенства малым гидроэлектростанциям и станциям, создаваемым в горных местностях

Геотермальная энергия

Практически неисчерпаемая тепловая энергия недр Земли, отличающаяся стабильностью и независимостью от природно-климатических факторов. Один из альтернативных источников энергии, основанный на использовании возобновляемых в обозримом будущем энергоресурсах.

Дело в том, что температура ядра нашей планеты предположительно превышает 6000^° С. И это, не считая температуры верхних слоёв, представленных мантией и корой. Выходящий оттуда поток тепла, равный 400 тыс. ТВт∙ч в год, в 17 раз превышает выработку всей общемировой энергии.

Использование геотермальной энергии оправдано в вулканических районах – там, где имеются источники постоянно циркулирующей перегретой (выше температуры кипения) воды, проявляющие себя в виде гейзеров. Что, однако, не исключает доступа к тёплой подземной воде посредством бурения глубоких скважин. В технологическом отношении это – один из наиболее надёжных и отработанных способов получения электроэнергии из гидротермальных резервуаров, насчитывающий свыше 100 лет практического применения.

Есть и ещё один способ эксплуатации тепла внутренних недр, представленного сухими высокотемпературными породами, суть которого заключается в закачке и последующем отборе перегретой воды. Вот почему геотермальная энергетика разделена на гидротермальную и петротермальную энергетику.

К окончанию 2020 года глобальная мощность геотермальных источников энергии достигала 16 ГВт при общем потенциале в 70-80 ГВт. Наибольших успехов в её использовании пока что добились:

• Исландия и Новая Зеландия.
• Мексика, Никарагуа, Коста-Рика.
• Франция, Италия, Литва.
• Кения.
• Таджикистан, Китай, Япония, Индонезия, Филиппины.

Биоэнергетика

Достаточно универсальный и широко распространённый способ получения энергии из повсеместно распространённой биомассы, выступающей в роли биотопива. Массы органических веществ, образующихся в результате существования и деятельности естественной природной среды. Наиболее популярным их представителем выступают дрова, а также древесные материалы (береста, кора, хворост), древесные отходы и отходы сельскохозяйственной деятельности (лузга, солома, навоз).

По мере развития технологий и средств производства перечень видов биологического топлива пополнили биогаз и жидкое биотопливо. Последнее пользуется повышенным спросом по причине его активного применения в качестве моторного топлива, как в чистом виде, так и в виде содержащих его в своём составе бензиновых смесей.

С целью получения значительного количества биотоплива, многие хозяйствующие субъекты активизировали свою деятельность по выращиванию биомассы. Что вызвало справедливую критику общественности из-за резкого сокращения естественной флоры и фауны, а также – по причине значительного уменьшения сельскохозяйственных угодий.

Вопросы дальнейшего развития биотопливной индустрии упираются в негативные факты:

• выброса парниковых газов, образующихся во время сжигания биотоплива (хотя и в гораздо меньших масштабах, чем при сжигании угля, нефти, природного газа);
• вырубки лесов и сокращения площадей, занятых под сельскохозяйственные культуры пищевого или иного назначения.

Энергия приливов и отливов

Вследствие вращательного движения Земли, подвергающейся гравитационному воздействию со стороны Луны и Солнца, уровень воды в Мировом океане два раза в сутки претерпевает значительные изменения. Происходят приливы и отливы с перепадами воды, в некоторых частях суши достигающие 18-и метровой высоты.

Способ извлечения энергии здесь стандартен. С целью накопления больших объёмов воды, устье впадающей в море реки или залив перекрывают плотиной. Она представляет собой электростанцию, начинённую гидроагрегатами, способными вырабатывать электроэнергию, работая в режиме генератора и способными перекачивать воду в водохранилище во время насосного режима работы. Последний режим работы характеризует собой работу гидроаккумулирующей станции. Как во время прилива, так и во время отлива, поток воды заставляет вращаться турбогенератор, который и вырабатывает электрическую энергию.

Мощность всех приливных электростанций (ПЭС) мира пока что составляет немногим более 500 МВт. Перспективные в энергетическом отношении проекты строительства ПЭС, мощностью в десятки гигаватт пока что не находят своего практического воплощения по причине значительной удалённости мест их будущего расположения от высокоразвитых в индустриальном отношении регионов.

Энергия температурного градиента морской воды

Энергия солнечного света стабильно поглощается водами мирового океана, что приводит к существенной разнице температур на поверхности и в глубине его.

Первым, кто додумался использовать эффект вертикального температурного градиента, был учёный из Франции Д^,Арсонваль. Дело было в 1881 году. Интересное начинание продолжил его ученик Жорж Клод, построивший в 1930 году на Кубе установку мощностью в 22 кВт. В 1970 году идея была подхвачена японской компанией Токио Электрик Пауэр Компани, запустившей электростанцию закрытого типа в Науру, вырабатывающую 120 кВт электроэнергии к 1981 году.

Возможно, что продолжателем начатого дела вскоре выступит Индия, имеющая планы строительства градиентной тепловой электростанции мощностью в 1 МВт в районе южного штата Тамилнад.

Меры поддержки возобновляемых источников энергии

С целью достижения к 2050 году углеродной нейтральности Международное энергетическое агентство в 2022 году направило ко всем государствам мира просьбу об устранении препятствий политического, законодательно-нормативного, разрешительного и финансового характера с целью увеличения использования ВИЭ.

Экологически чистые альтернативные источники энергии на протяжении многих лет являются весьма эффективным и понятным инструмент рыночных взаимоотношений, организованных нередко благодаря принятым во многих странах мерам поддержки. К наиболее распространённым преференциям можно отнести:

Зелёные сертификаты – документы, говорящие о том, что владелец сертификата вырабатывает определённые объёмы электрической энергии, используя возобновляемые источники энергии. Документ выдаётся только квалифицированным производителям и может быть предварительно занят (под условия выполнения обязательств договора в следующем году), продан как вместе с электроэнергией, так и без неё, также сертификаты можно накапливать. Для контроля связанных с такой деятельностью процессов разработаны средства программно-технического обеспечения: WREGIS, M-RETS, NEPOOL GIS.

Возмещение затрат на технологическое присоединение, что существенным образом повышает инвестиционную привлекательность ВИЭ, подсоединение которых к электрическим сетям в финансовом отношении частично и полностью компенсируется. В Китайской Народной Республике все связанные с процессом технологического присоединения ВИЭ затраты несут на себе сетевые организации.

Зелёный тариф, фиксирующий цену на электроэнергию, сгенерированную возобновляемыми источниками энергии. В условиях гарантированного подключения к сети и заключения долгосрочного контракта (10-20 лет) на отпуск электрической энергии, механизм фиксирования тарифов выступает как эффективный рыночный инструмент, направленный на возмещение инвестиционных затрат и получение прибыли.

Система чистого измерения, что предназначена для учёта выработанного и отданного в сеть электричества. Полученные величины применяются для расчётов с электроснабжающей организацией. Положение о системах чистого измерения законодательно закреплено во многих странах мира.

Перспективы использования возобновляемых источников энергии

Перспективы использования ВИЭ обусловлены:

1. Тем, что это – неисчерпаемые источники энергии, обладающие свойствами постоянного восстановления в обозримый период времени существования человеческой цивилизации;
2. Фактором их безопасности по отношению к природе;
3. Необходимостью постепенного отхода от потребления невозобновляемых топливных ресурсов, которые с течением времени в результате непрерывного расходования постепенно иссякают;
4. Остро стоящей проблемой изменения климата, основной причиной чего выступают выбросы парниковых газов, усугубляющих процесс глобального потепления нашей планеты;
5. Широко распространённой доступностью многих видов альтернативной энергии.

Сюда можно приплюсовать и всё возрастающую – по мере развития технологий и накопления опыта – экономическую эффективность процессов получения чистой энергии. Нельзя сказать, что средства альтернативной энергии лишены каких-либо недостатков. Безусловно, они есть и весьма существенные – связанные с необходимостью закупки пока ещё дорогого оборудования, с конкретными особенностями местности, с нестабильностью выработки электроэнергии в ряде случаев, с процессом утилизации отработанного оборудования.

Тем не менее, будущее, безусловно, за возобновляемыми источниками энергии, выступающими в роли наиболее эффективного решения одного из главных вызовов современности – глобального решения энергетического вопроса.

Возобновляемые источники энергии в мире

На протяжении десятилетия, начиная с 2011 по 2021 год, процент мирового энергоснабжения, осуществляемый за счёт средств нетрадиционной энергетики, увеличился с 20% до 28%. При этом наблюдалось снижение долей:

• ископаемой энергии с 68% до 62%,
• энергии ядерной – с 12% до 10%,
• гидроэнергетики – с 16% до 15%.

 Возобновляемая энергетика показала рост мощностей по производству электроэнергии ветряными и солнечными электростанциями с 2% до 10%. Параллельно, с чем возросло производство биомассы и извлечение геотермальной энергии с 2% до 3%.

В наше время:

• свыше 130 стран располагают 3372 ГВт установленной мощности ВИЭ,
• 156 государств мира на законодательном уровне установили порядки, действующие в сфере альтернативной энергетики,
• 10 млн человек обеспечены работой, связанной с возобновляемыми источниками;
• существуют государства, где на долю ВИЭ уже приходится 20%, 50% и 100% генерируемой электроэнергии.

Удивительный факт был зафиксирован в странах Евросоюза 21 мая 2023 года в период с 11:00 до 17:00 местного времени – когда стоимость электроэнергии ушла в минус, за счёт её перепроизводства на ВЭС и СЭС!

Институт энергетических исследований Российской академии наук и Центр энергетики Московской школы управления «Сколково» прогнозируют к 2040 году обеспечение 30-50% производства электричества и 19-25% производства остальных видов энергии посредством работы ВИЭ. Примерно такого же мнения придерживается и Международное энергетическое агентство, а также ряд влиятельнейших международных организаций, активно ратующих за переход на 100% возобновляемую энергию, осуществимость и экономическая жизнеспособность которой подтверждена рядом научных исследований.

Актуальные вопросы будущего возобновляемых источников энергии отражены в следующем видеоматериале:

Солнце, ветер и вода. Каково будущее возобновляемой энергии?

Возобновляемые источники энергии в России

Нетрадиционные возобновляемые источники разнообразной энергии и природы, распространены и на территории нашей страны. На долю возобновляемых источников (на 98% представленной гидроэлектростанциями) приходится пятая часть вырабатываемой российской энергии. В 2020 году это составило 210 млрд кВт∙ч. К 2022 году суммарная мощность возобновляемой энергетики в нашей стране достигла 56 880 МВт.

По оценкам исследователей потенциал ВИЭ нашей страны оценён в 270 млн т.у.т., представленных:

• 115 млн т.у.т. геотермальной энергии,
• 65,2 млн т.у.т. малой гидроэнергетикой,
• 36 млн т.у.т низкопотенциального тепла,
• 35 млн т.у.т. биотоплива,
• 12,5 млн т.у.т. солнечной энергии,
• 10 млн т.у.т. энергии ветра.

С целью освоения значительных энергетических богатств в 2019 году была принята программа развития солнечной и ветроэнергетики до 2024 года «Пять Гигаватт». В соответствии с действующей Генеральной схемой размещения объектов электроэнергетики на период до 2035 года предусмотрено строительство электростанций на базе ВИЭ мощностью в 11,6 ГВт.

Специалистами из Сколково и РАНХ и ГС разработаны 3 сценария развития событий на период до 2035 года:

1. Инерционный предусматривает доведение совокупной установленной мощности ВИЭ до 9,47 ГВт, что составит 4% общей установленной мощности энергетики РФ.
2. Базовый – 11,4 ГВт (4,7% установленной мощности и 2,3% общей генерации).
3. Оптимистический – 48,6 ГВТ (20%, 20%).

Наиболее реальным из них представляется базовый сценарий развития российской возобновляемой энергетики. Последние российские реалии в сфере ВИЭ и цели поддержки после 2024 года:

После 2024 года цели поддержки ВИЭ должны измениться