Другие нетрадиционные источники энергии

ВВЕДЕНИЕ

Энергетика служит основой любых процессов во всех сферах жизни человека, главным условием создания материальных благ, повышения уровня жизни людей.

Веками человек нерационально использует природные богатства: как то сжигает каменный уголь, мазут, газ с целью получения тепла и энергии, загрязняя окружающую среду, в огромных объёмах выкачивает нефть с целью переработки её в горюче-смазочные материалы. Эти богатства не бесконечны и долго восстанавливаемы. Поэтому назрела необходимость в поиске новых источников энергии, которые будут снабжать человечество необходимым количеством энергии ещё долгое время.

Несмотря на огромный потенциал возобновляемых источников энергии, их использование осложняется техническими проблемами, и потому по самым оптимистичным прогнозам за счет нетрадиционной энергетики будет удовлетворено не более 30% потребностей человечества в энергии. Сейчас в России за счет нетрадиционных источников получают 1% энергии. Своей работой я хотел бы обратить внимание на эту проблему.

Альтернативные источники энергии – нетрадиционные, быстро возобновляемые, экологически чистые источники энергии. Человечество стремится их использовать с высоким КПД, сохраняя природу.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Проблема: в ходе исследования нетрадиционных источников энергии передо мной возник ряд вопросов: какие нетрадиционные источники энергии существуют и какие из них можно применить в моей местности?

Цель: исследование моделей альтернативных источников энергии и определение наиболее эффективных из них для возможного использования в моей местности (Самарская область, Похвистневский район).

Задачи:

Провести анализ информации о нетрадиционных источниках энергии.

Создать модели нетрадиционных источников энергии для исследования.

Установить, какие нетрадиционные источники энергии целесообразно использовать в моей местности.

Осветить проблему нетрадиционных источников энергии в классе.

Создать презентацию по данной проблеме.

Методы исследования:

Анализ и синтез

Объект исследования: нетрадиционные источники энергии.

Предмет исследования: модели нетрадиционных источников энергии.

Гипотеза: учитывая географическое расположение и климатические условия города Похвистнево возможно применение таких нетрадиционных источников энергии, как ветровая, биотопливная и энергия малых рек.

АКТУАЛЬНОСТЬ

Я думаю, что мой проект актуален, так как в данное время наблюдается кризис в стране. Получение энергии альтернативными способами будет способствовать улучшению благосостояния населения, и являться одним из природоохранных мероприятий. Замена традиционных источников энергии на альтернативные будет способствовать улучшению экологии и удешевлению электроэнергии. На данный момент нетрадиционные источники энергии способны эффективно снабжать энергией лишь небольшое количество потребителей, например, частный дом или космическую станцию. В будущем переход на альтернативные источники энергии возможен, но пока для отдельных групп потребителей малой энергосистемы. Но потенциал этих источников велик.

НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Если внимательно приглядеться к окружающему нас миру, то можно обнаружить, что вокруг нас лежат запасы неиссякаемой энергии. Ну, слово «лежат» будет некорректно в нашем случае. Везде наблюдается движение, различные химические и физические процессы, обладающие энергией, обуздав которую, мы сможем обеспечить всё человечество неиссякаемой энергией. Что это за источники, что порождают так много энергии?

Это солнце, ветер, океанические приливы, тепло земных глубин, морские и речные течения, всё живое вокруг нас. Эти источники энергии действительно практически неиссякаемы. Ещё долго не наступит такой момент, когда солнце или ветер внезапно «пропадут», а Земля остынет.

Мы называем такие источники энергии нетрадиционными. Хотя если углубиться в историю, то можно обнаружить, что некоторые нетрадиционные источники энергии люди давно для себя открыли и использовали их в своих целях, например, ветряные и водяные мельницы. Так что не такие уж они и нетрадиционные.

Этот вариант получения энергии как дополнительный используется при любом случае, когда традиционные источники энергии располагаются слишком далеко от места потребления и транспортировка самой энергии оказывается слишком дорогой и сложной. Благодаря активной разработке нетрадиционных источников энергии многие учёные прогнозируют преобладание добычи энергии таким нетрадиционным способом над традиционным уже к середине XXI века.

В данной таблице кратко описываются все достоинства и недостатки одних из наиболее распространённых нетрадиционных способов добычи энергии.

Виды нетрадиционных источников энергии

Солнечная энергия

Электромагнитное излучение Солнца.

Термоядерный реакция превращения водорода в гелий.

Применение дорогих и редких материалов;

Сложный процесс аккумуляции энергии;

Необходимость использования больших площадей;

Преимущества и недостатки солнечной энергии.

Солнечная энергия является одним из нетрадиционных источников энергии не случайно. Главным отличием Солнца от остальных источников энергии является возобновляемость и постоянство. Независимо от любой деятельности человечества Солнце будет долго направлять свою энергию в сторону нашей планеты. Вот только будет ли доходить эта энергия до нас постоянно и в нужном нам количестве? Плохие погодные условии могут помешать доступу солнечной энергии, в этом заключается непостоянство этого вида энергии, а точнее, непостоянство выработки солнечной энергии электростанциями данного вида.

О количестве поступающей энергии можно не беспокоиться, её хватает на все нужды человечества с огромным запасом, поэтому мы может говорить об изобилии данного источника энергии. Солнечная энергия доступная, особенно в широтах, ближе к экваториальным, чистая, экономичная, т.к. позволяет восполнить небольшие затраты энергии частного собственника, что помогает ему меньше использовать энергии из общей электросети. Солнечная энергия универсальна: солнечные батареи используются практически везде, начиная от обычных калькуляторов и часов и заканчивая космическими станциями и спутниками.

Но разработка солнечной энергии началась сравнительно недавно, создание солнечных батарей требует огромных затрат и усилий, а для обслуживания батарей также необходима энергия. Главными компонентами современных солнечных батарей являются кремний, индий, теллур, медь и кадмий. Если кремний и медь можно добыть в больших объёмах, то остальные металлы редкие и дорогие. При создании и утилизации батарей загрязняется окружающая среда, т.к. многие компоненты ядовиты. Эффективность батарей редко доходит до 20%. Остальная энергия, получаемая батареями (80%), нагревает их, из-за этого требуется энергия на их охлаждение. Мощность батареи зависит от её площади, поэтому для добычи энергии промышленными масштабами необходимы огромные пространства для солнечных батарей. Из-за непостоянства получаемой энергии (см. выше.) для обеспечения человека энергией в любое время необходимо её аккумулировать, что снова требует затрат уже для создания аккумуляторов.

Ухудшение экологии и истощение природных ресурсов заставляет задумываться о том, как получать электричество и тепло из возобновляемых источников.

В этой статье рассказываем, как работает альтернативная энергия и почему многие страны делают выбор в её пользу.

Что такое альтернативная энергия?

Энергия бывает возобновляемой (альтернативной) и невозобновляемой (традиционной).

Альтернативные источники энергии – это обычные природные явления, неисчерпаемые ресурсы, которые вырабатываются естественным образом. Такая энергия ещё называется регенеративной или «зелёной».

Невозобновляемые источники – это нефть, природный газ и уголь. Им ищут замену, потому что они могут закончиться. Ещё их использование связано с выбросом углекислого газа, парниковым эффектом и глобальным потеплением.

Человечество получает энергию, в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и работы атомных электростанций. Альтернативная энергетика – это методы, которые отдают энергию более экологичным способом и приносят меньше вреда. Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах для отопления, горячей воды, освещения, работы электроники.

Ресурсы возобновляемой энергии

• Солнечный свет
• Водные потоки
• Ветер
• Приливы
• Биотопливо (топливо из растительного или животного сырья)
• Геотермальная теплота (недра Земли)

Альтернативные виды энергии

1. Солнечная энергия

Один из самых мощных видов альтернативных источников энергии. Чаще всего её преобразуют в электричество солнечными батареями. Всей планете на целый год хватит энергии, которую солнце посылает на Землю за день. Впрочем, от общего объёма годовая выработка электроэнергии на солнечных электростанциях не превышает 2%.

Основные недостатки – зависимость от погоды и времени суток. Для северных стран извлекать солнечную энергию невыгодно. Конструкции дорогие, за ними нужно «ухаживать» и вовремя утилизировать сами фотоэлементы, в которых содержатся ядовитые вещества (свинец, галлий, мышьяк). Для высокой выработки необходимы огромные площади.

Солнечное электричество распространено там, где оно дешевле обычного: отдалённые обитаемые острова и фермерские участки, космические и морские станции. В тёплых странах с высокими тарифами на электроэнергию, оно может покрывать нужны обычного дома. Например, в Израиле 80% воды нагревается солнечной энергией.

Батареи также устанавливают на беспилотные автомобили, самолёты, дирижабли, поезда Hyperloop .

2. Ветроэнергетика

Запасов энергии ветра в 100 раз больше запасов энергии всех рек на планете. Ветровые станции помогают преобразовывать ветер в электрическую, тепловую и механическую энергию. Главное оборудование – ветрогенераторы (для образования электричества) и ветровые мельницы (для механической энергии).

Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит – особенно в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. К началу 2016 года мощность всех ветрогенераторов обогнала суммарную установленную мощность атомной энергетики.

Недостаток в том, что её нельзя контролировать (сила ветра непостоянна). Ещё ветроустановки могут вызывать радиопомехи и влиять на климат, потому что забирают часть кинетической энергии ветра – правда, учёные пока не знают хорошо это или плохо.

3. Гидроэнергия

Чтобы преобразовать движение воды в электричество нужны гидроэлектростанции (ГЭС) с плотинами и водохранилищами. Их ставят на реках с сильным потоком, которые не пересыхают. Плотины строят для того, чтобы добиться определённого напора воды – он заставляет двигаться лопасти гидротурбины, а она приводит в действие электрогенераторы.

Строить ГЭС дороже и сложнее относительно обычных электростанций, но цена электричества (на российских ГЭС) в два раза ниже. Турбины могут работать в разных режимах мощности и контролировать выработку электричества.

4. Волновая энергетика

Есть много способов генерации электричества из волн, но эффективно работают только три. Они различаются по типу установок на воде. Это камеры, нижняя часть которых погружена в воду, поплавки или установки с искусственным атоллом.

Такие волновые электростанции передают кинетическую энергию морских или океанических волн по кабелю на сушу, где она на специальных станциях преобразуется в электричество.

Этот вид используется мало – 1% от всего производства электроэнергии в мире. Системы тоже дорогие и для них нужен удобный выход к воде, который есть не у каждой страны.

5. Энергия приливов и отливов

Эту энергию берут от естественного подъёма и спада уровня воды. Электростанции ставят только вдоль берега, а перепад воды должен быть не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.

Приливы и отливы хорошо изучены, поэтому этот источник более предсказуем относительно других. Но освоение технологий было медленным и их доля в глобальном производстве мала. Кроме того, приливные циклы не всегда соответствуют норме потребления электричества.

6. Энергия температурного градиента (гидротермальная энергия)

Морская вода имеет неодинаковую температуру на поверхности и в глубине океана. Используя эту разницу, получают электроэнергию.

Первая установка, которая даёт электричество за счёт температуры океана была сделана ещё в 1930 году. Сейчас есть океанические электростанции закрытого, открытого и комбинированного типа в США и Японии.

7. Энергия жидкостной диффузии

Это новый вид альтернативного источника энергии. Осмотическая электростанция, установленная в устье реки, контролирует смешение солёной и пресной воды и извлекает энергию из энтропии жидкостей.

Выравнивание концентрации солей даёт избыточное давление, которое запускает вращение гидротурбины. Пока есть только одна такая энергетическая установка в Норвегии.

8. Геотермальная энергия

Геотермальные станции берут внутреннюю энергию Земли – горячую воду и пар. Их ставят в вулканических районах, где вода у поверхности или добраться до неё можно пробурив скважину (от 3 до 10 км.).

Извлекаемая вода отапливает здания напрямую или через теплообменный блок. Ещё её перерабатывают в электричество, когда горячий пар вращает турбину, соединённую с электрогенератором.

Недостатки: цена, угроза температуре Земли, выбросы углекислого газа и сероводорода.

Больше всего геотермальных станций в США, Филиппинах, Индонезии, Мексике и Исландии.

9. Биотопливо

Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.

• Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.

• Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).

• Третье поколение – биотопливо из водорослей.

Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.

Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.

Плюсы и минусы альтернативной энергии

Главная перспектива альтернативных источников – существования человечества даже в условиях жёсткого дефицита нефти, газа и угля.

Преимущества:

• Доступность – не нужно обладать нефтяными или газовыми месторождениями. Правда, это относится не ко всем видам. Страны без выхода к морю не смогут получать волновую энергию, а геотермальную можно преобразовывать только в вулканических районах.

• Экологичность – при образовании тепла и электричества нет вредных выбросов в окружающую среду.

• Экономия – полученная энергия имеет низкую себестоимость.

Недостатки и проблемы:

• Траты на этапе строительства и обслуживание – оборудование и расходные материалы дорогие. Из-за этого повышается итоговая цена электроэнергии, поэтому она не всегда оправдана экономически. Сейчас главная задача разработчиков снизить себестоимость установок.

• Зависимость от внешних факторов: невозможно контролировать силу ветра, уровень приливов, результат переработки солнечной энергии зависит от географии страны.

• Низкий КПД и маленькая мощность установок (кроме ГЭС). Вырабатываемая мощность не всегда соответствует уровню потребления.

• Влияние на климат. Например, спрос на биотопливо привёл к сокращению посевных площадей для продовольственных культур, а плотины для ГЭС изменили характер рыбных хозяйств.

Возобновляемая энергия в мире

Главный потребитель возобновляемых источников энергии – Евросоюз. В некоторых странах альтернативная энергетика вырабатывает почти 40% от всей электроэнергии. Там уже прижились разные меры поддержки: скидочные тарифы на подключение и возврат денег за покупку оборудования. Не отстают страны Востока и США.

Германия

40% электроэнергии в Германии дают возобновляемые источники. Она лидер по числу ветровых установок, которые генерируют 20,4 % электричества. Оставшаяся доля приходится на гидроэнергетику, биоэнергетику и солнечную энергетику. Немецкое правительство поставило план: вырабатывать 80% энергии за счёт альтернативных источников к 2050 году, но закрывать атомные электростанции пока не хочет.

Исландия

У Исландии очень много горячей воды, потому что она расположилась в зоне вулканической активности. Страна обеспечивает 85% домов отоплением из геотермальных источников и покрывает ими 65% потребностей населения в электроэнергии. Мощность источников настолько велика, что они хотят наладить экспорт энергии в Великобританию.

Швеция

После нефтяного кризиса 1973 года страна стала искать другие источники энергии. Началось всё с ГЭС и АЭС. Из-за атомных станций шведов часто критиковали Greenpeace, но с конца 80-х доля энергии от АЭС не растёт.

Начиная с 90-х Швеция строит оффшорные ветропарки в море. На выбросы предприятиями углерода в атмосферу введён дополнительный налог, а для производителей ветровой, солнечной и биоэнергии есть льготы.

Ещё Швеция активно использует энергию от переработки мусора и даже планирует его закупать у соседних стран, чтобы отказаться от нефти. Некоторые города получают тепло от мусоросжигательных заводов.

Китай

В Китае самая мощная ГЭС в мире – «Три ущелья». По состоянию на 2018 год – это крупнейшее по массе сооружение. Её сплошная бетонная плотина весит 65,5 млн тонн. За 2014 станция произвела рекордные для мира 98,8 млрд кВт⋅ч.

Крупнейшие ветровые ресурсы тоже здесь (три четверти из них поставлены в море). К 2020 году страна планирует выработать при их помощи 210 ГВт.

Ещё тут 2 700 геотермальных источников и делают 63% устройств для преобразования солнечной энергии. Китай занимает третье место в производстве биотоплива на основе этанола.

Альтернативная энергия в России

Разное географическое положение регионов и специфика климатических поясов в России не позволяют развивать эту отрасль равномерно. Нет инвестиций и есть пробелы в законе.

Виды возобновляемой энергии в России

Солнечная энергия

Используется и в промышленных масштабах, и у местного населения как резервный или основной источник тепла и электричества. Мощность всех солнечных установок – 400 МВт, из них самые крупные в Самарской, Астраханской, Оренбургской областях и Крыму. Самая мощная СЭС – «Владиславовка» (Крым). Ещё разрабатываются проекты для Сибири и Дальнего Востока.

Ветровая энергетика

Ветровая возобновляемая энергия в России представлена чуть хуже, чем солнечная, хотя и здесь есть промышленные установки. Общая мощность ветровых генераторов в нашей стране – 183,9 МВт (0,08 % от всей энергосистемы). Больше всего установок – в Крыму, а мощнейшая находится в Адыгее – «Адыгейская ВЭС».

Гидроэнергетика

Это самый популярный вариант альтернативного источника энергии в России. Около 200 речных ГЭС вырабатывают до 20% от всей энергии в стране. В заливе Кислая губа в Мурманской области с 1968 года есть приливная электростанция – «Кислогубская ПЭС». Самая крупная ГЭС стоит на реке Енисей – «Саяно-Шушенская».

Геотермальная энергетика

За счёт обилия вулканов этот вид энергетики распространён на Камчатке. Там 40% потребляемой энергии генерируется на геотермальных источниках. По данным учёных, потенциал Камчатки оценивается в 5000 МВт, а вырабатывается только 80 МВт энергии в год. Ещё геотермальные станции есть на Курилах, Ставропольском и Краснодарском крае.

Биотопливо

Наша страна входит в тройку экспортёров пеллет на европейском рынке. В России есть заводы, создающие из остатков древесины пеллеты и брикеты, которыми топят котлы и печки.

Сельскохозяйственные отходы преобразуют в жидкое топливо и биогаз для дизельных двигателей. А вот свалочный газ не используется вообще, его просто выбрасывают в атмосферу, нанося ущерб окружающей среде.

Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии

Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.

First Solar Inc.

Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.

Vestas Wind Systems A/S

Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.

Atlantica Yield PLC

Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.

ABB Ltd. Asea Brown Boveri

Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.

Структура нетрадиционных источников энергии и обоснованная необходимость в их применении

К нетрадиционным (альтернативным) источникам энергии относят:

• энергию Солнца, ветра, воды (приливов, морских волн),
• геотермальную и водородную энергию,
• энергию биомассы.

Интерес к этим источникам энергии постоянно возрастает, поскольку во многих отношениях они неограниченны, экономически выгодны, оказывают на природную среду щадящее воздействие.

Предпосылками необходимости найти нетрадиционные источники энергии, чистые, безопасные, дешевые, стали углубляющийся энергетический кризис, ухудшение экологической ситуации, вызванное, в том числе, и потреблением традиционных источников энергии.

Солнечная энергетика

По экономическим, экологическим, ресурсным критериям, а также по показателям безопасности солнечная энергия в ряду альтернативных источников занимает одно из первых мест, ее использование имеет долгосрочную перспективу.

Подсчитано, что объем солнечной энергии, поступающей в течение трех дней на территорию РФ, превышает объем энергии, сопоставимый с выработкой электроэнергии в масштабах страны за год.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

К преимуществам солнечной энергетики относятся: возобновляемость, огромный потенциал, неисчерпаемость, доступность, бесшумность, экономичность, небольшие расходы при эксплуатации. Особенно важно, что производство и использование солнечных электростанций сопровождается минимальными (почти что нулевыми) по сравнению с традиционными источниками энергии выбросами в природную среду.

Энергия ветра

Ветровые электростанции – перспективный способ получения энергии, особенно в тех местах, где направление ветра постоянно.

Способ получения такой энергии не загрязняет природную среду. Однако прослеживается зависимость от непостоянства направлений и силы ветра. Хотя эту зависимость есть возможность частично сгладить установкой маховиков и разнообразных аккумуляторов.

Но строительство, содержание, ремонт ветровых электростанций обходится недешево. К тому же эксплуатация их сопровождается шумом, мешает птицам и насекомым, отражает радиоволны вращающимися частями.

Энергия воды

В структуру гидроэнергетики, использующей энергию водных ресурсов, входят гидроэлектростанции, малые гидроэлектростанции, приливные электростанции, волновые электростанции.

Для работы гидроэлектростанций необходимо сооружение плотины и водохранилища (гарантия обеспеченности водой). Основное преимущество гидроэнергетики – использование возобновляемой энергии.

Эксплуатация гидроэлектростанций не загрязняет природную среду, однако под водохранилища отчуждаются земли (часто плодородные). Плотины часто перекрывают рыбам путь к нересту.

Геотермальная энергия (тепло Земли)

Представляет практический интерес применение геотермальной энергии, использующей тепло Земли, в виде геотермальных станций. Кроме этого, подаваемые горячие подземные воды могут обогревать здания, теплицы. Для получения геотермальной энергии не нужно сжигать топливо, поскольку природный пар непосредственно используется для получения электроэнергии.

Геотермальная электростанция может вырабатывать электроэнергию из тепловой энергии гейзеров и других подземных источников. Гидроэлектростанции могут составить конкуренцию в регионах, где отпускная цена на электроэнергию высокая.

Водородная энергетика

Водородная энергетика, интерес к которой возрос за последнее время, основана на использовании водорода в качестве топлива.

Очевидно преимущество выбора водорода в качестве энергоносителя: экологическая безопасность (продукт его сгорания – вода), он не токсичен, не представляет опасности для человека и животных.

К недостаткам относятся:

• получение вещества с затратой иных энергоносителей – нефти, газа, электричества,
• высокая угроза образования взрывов – главный аргумент противников водородной энергетики.

Следуя современным технологиям, возможно получать качественное топливо, имеющее высокий коэффициент теплоотдачи. Перспектива за разработкой проектов современных водородных электростанций и установок на топливных элементах.

Биоэнергетика

Сегодня большинство биоэлектростанций напоминает тепловые электростанции.

Основное отличие от традиционных ТЭЦ – применение биотоплива, которое получают в процессе переработки биологических отходов.

В стадии разработки проекты, использующие в качестве биотоплива целлюлозу, органические отходы, осадки канализационных стоков, продукты жизнедеятельности животных (навоз) и газ метан, выделяющийся при переработке отходов животноводческих хозяйств. На практике сегодня биоэлектростанции используют чаще всего отходы древесины.