32,6% – нефть и нефтепродукты. 30,0% – уголь. 23,7% – газ. Именно так выглядит тройка лидеров среди источников энергии, снабжающих человечество. Звездолеты и «зеленая» планета все еще так же далеки, как и «далекая-далекая галактика».
Движение в сторону альтернативной энергетики, безусловно, есть, но оно настолько медленное, что можно надеяться на прорыв – пока нет. Давайте будем честными: в течение следующих 50 лет ископаемое топливо будет освещать наши дома.
Развитие альтернативной энергетики идет медленно, как чопорный джентльмен по набережной Темзы. Сегодня о нетрадиционных источниках энергии написано гораздо больше, чем сделано для их разработки и внедрения в повседневную жизнь. Но в этом направлении есть 3 признанных «мастодонта», которые тянут за собой остальную колесницу.
Атомная энергетика здесь не рассматривается, поскольку вопрос о ее прогрессивности и целесообразности развития можно обсуждать очень долго.
Ниже будут приведены показатели мощности станций, поэтому для анализа значений введем отправную точку: самая мощная электростанция в мире — АЭС Касивадзаки-Карива (Япония). Которая имеет мощность 8,2 ГВт.
Энергия воздуха: ветер на службе человека
Основным принципом ветроэнергетики является преобразование кинетической энергии движущихся воздушных масс в тепловую, механическую или электрическую энергию.
Ветер – результат разницы давления воздуха на поверхности. Здесь реализуется классический принцип «сообщающихся сосудов», только в глобальном масштабе. Представьте себе 2 точки – Москва и Санкт-Петербург. Если температура в Москве выше, то воздух нагревается и поднимается вверх, оставляя низкое давление и уменьшенное количество воздуха в нижних слоях. При этом в Петербурге высокое давление и достаточно воздуха «снизу». Поэтому массы начинают устремляться в сторону Москвы, ведь природа всегда стремится к равновесию. Так образуется поток воздуха, который называется ветром.
Это движение несет в себе огромную энергию, которую инженеры стремятся уловить.
Сегодня 3% мирового производства энергии приходится на ветряные турбины, и их мощность растет. В 2016 году установленная мощность ветряных электростанций превысила мощность атомных электростанций. Но есть 2 особенности, ограничивающие развитие направления:
1. Установленная мощность — это максимальная рабочая мощность. И если АЭС практически все время работают на таком уровне, то ветряные электростанции редко достигают таких показателей. КПД таких станций составляет 30-40%. Ветер крайне нестабилен, что ограничивает применение в промышленных масштабах.
2. Размещение ветроэлектростанций рационально в местах постоянных ветровых потоков – так можно обеспечить максимальную эффективность установки. Локализация генераторов существенно ограничена.
Ветроэнергетику сегодня можно рассматривать только как дополнительный источник энергии в сочетании с постоянными, такими как атомные электростанции и станции, использующие горючее топливо.
Ветряные мельницы впервые появились в Дании – их сюда привезли крестоносцы. Сегодня в этой скандинавской стране 42% энергии вырабатывается ветряными электростанциями.
Практически завершен проект строительства искусственного острова в 100 км от побережья Великобритании. В Доггер-банке будет создан принципиально новый проект – на 6 км.2 Будет установлено множество ветряных турбин, которые будут передавать электроэнергию на материк. Это будет самая большая ветряная электростанция в мире. Сегодня это Ганьсу (Китай) мощностью 5,16 ГВт. Это комплекс ветряных турбин, который растет с каждым годом. Плановый показатель – 20 ГВт.
И немного о стоимости.
Средние показатели себестоимости вырабатываемого 1 кВтч энергии составляют:
─ уголь 9-30 центов;
─ ветер 2,5-5 центов.
Если удастся решить проблему зависимости от энергии ветра и тем самым повысить эффективность ветряных электростанций, то у них есть большой потенциал.
Солнечная энергия: двигатель природы – двигатель человечества
Принцип производства основан на сборе и распределении тепла солнечных лучей.
Сейчас доля солнечных электростанций (СЭС) в мировом производстве энергии составляет 0,79%.
Эта энергия, прежде всего, связана с альтернативной энергетикой – прямо перед глазами рисуются фантастические поля, покрытые большими пластинами с фотоэлементами. На практике рентабельность этого направления достаточно низкая. Среди проблем можно выделить нарушение температурного режима над солнечной электростанцией, где нагреваются воздушные массы.
Программы развития солнечной энергетики действуют более чем в 80 странах. Но в большинстве случаев речь идет о вспомогательном источнике энергии, поскольку уровень производства невысок.
Важно правильно разместить мощность, для чего составляются подробные карты солнечной радиации.
Солнечный коллектор используется как для нагрева воды для отопления, так и для выработки электроэнергии. Фотоэлектрические элементы генерируют энергию, «выбивая» фотоны под воздействием солнечного света.
Лидером по производству энергии на солнечных электростанциях является Китай, а по выработке на душу населения – Германия.
Самая крупная солнечная электростанция расположена на солнечной ферме Топаз, которая находится в Калифорнии. Мощность 1,1 ГВт.
Есть разработки по выводу коллекторов на орбиту и сбору солнечной энергии, не теряя ее в атмосфере, но в этом направлении пока слишком много технических препятствий.
Сила воды: использование самого большого двигателя на планете
Гидроэнергетика является лидером среди альтернативных источников энергии. 20% мирового производства энергии приходится на гидроэнергетику. А среди возобновляемых источников 88%.
На определенном участке реки строится массивная дамба, которая полностью перегораживает русло. Выше по течению создается водохранилище, а перепад высот по бортам плотины может достигать сотен метров. Вода быстро проходит через плотину в тех местах, где установлены турбины. Итак, энергия движущейся воды раскручивает генераторы и приводит к выработке энергии. Все просто.
Из минусов: затоплена большая территория, нарушена биожизнь в реке.
Крупнейшая гидроэлектростанция — Санься («Три ущелья») в Китае. Она имеет мощность 22 ГВт и является крупнейшей электростанцией в мире.
Гидроэлектростанции распространены во всем мире, а в Бразилии они обеспечивают 80% энергии. Это направление является наиболее перспективным в альтернативной энергетике и постоянно развивается.
Малые реки не способны вырабатывать большую мощность, поэтому гидроэлектростанции на них проектируются с учетом местных нужд.
Использование воды как источника энергии реализовано в нескольких основных концепциях:
1. Использование приливов. Технология во многом аналогична классической ГЭС, с той лишь разницей, что плотина перекрывает не русло, а устье залива. Вода моря совершает суточные колебания под воздействием притяжения Луны, что приводит к циркуляции воды через турбины плотины. Эта технология реализована лишь в нескольких странах.
2. Использование волновой энергии. Источником энергии также могут быть постоянные колебания воды в открытом море. Это не только прохождение волн через статически установленные турбины, но и использование «поплавков»: а на поверхности моря размещается цепочка специальных поплавков, внутри которых находятся небольшие турбины. Генераторы волн вращаются и генерируется определенное количество энергии.
В целом сегодня альтернативная энергетика не способна стать глобальным источником энергии. Но обеспечить большинство объектов автономной энергией вполне возможно. В зависимости от особенностей территории вы всегда сможете выбрать лучший вариант.
Для глобальной энергетической независимости потребуется нечто принципиально новое, вроде «теории эфира» знаменитого серба.
Без демагогии странно, что в 2000-е человечество добывает энергию не намного прогрессивнее, чем тот локомотив, который сфотографировали братья Люмьер. Сегодня вопрос энергоресурсов ушёл далеко в сферу политики и финансов, определяющих структуру производства электроэнергии. Если масло зажигает светильники, значит оно кому-то нужно…