Наш мир погружен в огромный океан энергии, мы летим в бесконечном пространстве с непостижимой скоростью.
Все вокруг вращается, движется — все энергия. Перед нами грандиозная задача — найти способы добычи этой энергии. Тогда, извлекая ее из этого неисчерпаемого источника, человечество будет продвигаться вперед гигантскими шагами.
1891 год. Никола Тесла
32,6% – нефть и нефтепродукты. 30,0% – уголь. 23,7% – газ. Тройка лидеров среди источников энергии, которые снабжают человечество, выглядит именно так. До звездолетов и «зеленой» планеты еще также далеко, как до «далекой-далекой Галактики».
Движение в сторону альтернативной энергетики, безусловно, есть, но оно такое медленное, что надеется на прорыв – пока не приходится. Будем откровенны: ближайшие 50 лет ископаемые топливные ресурсы будут зажигать свет в наших домах.
Развитие альтернативной энергетики идет неспешно, как чопорный джентльмен вдоль набережной Темзы. Сегодня гораздо больше написано про нетрадиционные источники энергии, чем сделано для их развития и внедрения в повседневную жизнь. Но в этом направлении есть 3 признанных «мастодонта», которые тянут остальную колесницу за собой.
Тут не рассматривается атомная энергетика, потому что вопрос о ее прогрессивности и целесообразности развития можно обсуждать очень долго.
Ниже будут встречаться показатели мощности станций, поэтому, для анализа величин, введем исходную точку: самая мощная электростанция в мире – это АЭС Касивадзаки-Карива (Япония). Которая имеет мощность 8,2 ГВт.
Энергия воздуха: ветер на службе человека
Базовый принцип ветроэнергетики – конвертация кинетической энергии перемещающихся воздушный масс в тепловую, механическую или электрическую энергию.
Ветер – есть результат разности давления воздуха на поверхность. Здесь реализуется классический принцип «сообщающихся сосудов», только в глобальных масштабах. Представим 2 точки – Москву и Санкт-Петербург. Если в Москве температура выше, то воздух нагревается и поднимается вверх, оставляя низкое давление и пониженное количество воздуха в нижних слоях. В то же время в Петербурге высокое давление и воздуха «снизу» достаточно. Поэтому массы начинают перетекать в сторону Москвы, потому что природа всегда стремится к равновесию. Так и формируется поток воздуха, который именуется ветром.
Данное движение несет в себе огромную энергию, которую и стремятся уловить инженеры.
Сегодня 3% мирового производства энергии приходится на ветрогенераторы, и мощности растут. В 2016 году установленная мощность ветровых электростанций превысила мощность АЭС. Но есть 2 особенности, которые ограничивают развитие направления:
1. Установленная мощность – это максимальная рабочая мощность. И если АЭС почти все время работают на таком уровне, то ВЭС редко достигают таких показателей. КПД таких станций составляет 30-40%. Ветер крайне не постоянен, что ограничивает применение в промышленных масштабах.
2. Размещение ВЭС рационально в местах постоянных потоков ветра – так удается обеспечить максимальную эффективность установки. Локализация генераторов существенно ограничена.
Ветроэнергетика сегодня может рассматриваться только как дополнительный источник энергии в сочетании с постоянными, такими как АЭС и станции на горючем топливе.
Ветряные мельницы впервые появились в Дании – их принесли сюда крестоносцы. Сегодня в этой скандинавской стране 42% энергии вырабатывается на ветростанциях.
Практически завершен проект строительства искусственного острова в 100 км от берегов Великобритании. На Доггер-банке будет создан принципиально новый проект – на 6 км2 будет установлено множество ветрогенераторов, которые будут передавать электричество на материк. Это будет крупнейшая ВЭС в мире. Сегодня таковой является «Ганьсу» (Китай) с мощностью 5,16 ГВт. Это комплекс ветрогенераторов, который ежегодно разрастается. Планируемый показатель – 20 ГВт.
И немного о себестоимости.
Средние показатели стоимости за выработанный 1 КВт/час энергии составляют:
─ уголь 9-30 центов;
─ ветер 2,5-5 центов.
Если удастся решить проблему с зависимостью от силы ветра и так повысить КПД ВЭС, то у них большой потенциал.
Энергия Солнца: двигатель природы – двигатель человечества
Принцип выработки основан на сборе и распределении тепла солнечных лучей.
Сейчас доля солнечных электростанций (СЭС) в мировой выработке энергии составляет 0,79%.
Данная энергетика, прежде всего, ассоциируется с альтернативной – сразу перед глазами рисуются фантастические поля, покрытые крупными пластинами с фотоэлементами. На практике рентабельность этого направления довольно низкая. Среди проблем можно выделить нарушение температурного режима над СЭС, где происходит нагрев воздушных масс.
Программы развития гелиоэнергетики есть более чем в 80 странах. Но в большинстве случаев речь идет о вспомогательном источнике энергии, потому что уровень производства невелик.
Важно правильно разместить мощности, для чего составляются детализированные карты солнечного излучения.
Солнечный коллектор используется как для нагрева воды для отопления, так и для производства электроэнергии. Фотоэлектрические элементы вырабатывают энергию за счет «выбивания» фотонов под воздействием солнечных лучей.
Лидером по объемам производства энергии на СЭС является Китай, а по выработке на душу населения – Германия.
Крупнейшая СЭС находится на солнечной ферме Топаз, что раскинулась в Калифорнии. Мощность 1,1 ГВт.
Есть разработки по выводу коллекторов на орбиту и сбора солнечной энергии без её потерь в атмосфере, но у этого направления пока слишком много технических преград.
Энергия воды: использование крупнейшего на планете двигателя
Гидроэнергетика служит лидером среди альтернативных источников энергии. 20% мирового производства энергии приходится на ГЭС. А среди возобновляемых источников 88%.
На определенном участке реки возводится массивная плотина, которая полностью перекрывает русло. Вверх по течению создается водохранилище, и перепад высот по бортам плотины может достигать сотни метров. Вода стремительно проходит черед плотину в тех местах, где установлены турбины. Так энергия движущейся воды раскручивает генераторы и приводит к выработке энергии. Все просто.
Из минусов: затопляется большая территория, нарушается биожизнь в реке.
Крупнейшая ГЭС – Санься («Три ущелья») в Китае. Она имеет мощность 22 ГВт, являясь крупнейшей станцией в мире.
ГЭС распространены во всем мире, а в Бразилии они дают 80% энергии. Это направление наиболее перспективное в альтернативной энергетике и постоянно развивается.
Малые реки не способны давать большую мощность, поэтому ГЭС на них рассчитаны на удовлетворение локальных нужд.
Применение воды как источника энергии реализуется в нескольких крупных концепциях:
1. Использование приливов. Технология во многом схожа с классической ГЭС, с той лишь разницей, что перекрывают плотиной не русло, но устью залива. Вода моря совершает суточные колебания под воздействием притяжения Луны, что и приводит к циркуляции воды по турбинам плотины. Эта технология реализована только в нескольких странах.
2. Использование энергии волн. Постоянные колебания воды в открытом море также могут быть источником энергии. Это не только прохождение волн через статично установленные турбины, но и применение «поплавков»: но поверхности моря размещают цепочку из специальных поплавков, внутри которых малые турбины. Волны раскручивают генераторы и вырабатывается некоторый объем энергии.
В целом, сегодня альтернативная энергетика не в силах стать глобальным источником энергии. Но обеспечить большинство объектов автономной энергией вполне возможно. В зависимости от особенностей территории всегда можно выбрать оптимальный вариант.
Для глобальной энергонезависимости потребуется что-то принципиально новое, как «теория эфира» знаменитого серба.
Я не тружусь более для настоящего, я тружусь для будущего.
Никола Тесла
Если без демагогии, то странно, что в 2000-е годы человечество вырабатывает энергию не на много прогрессивнее, чем тот паровоз, который засняли братья Люмьер. Сегодня вопрос энергоресурсов ушел далеко в сферу политики и финансов, что и определяет структуру производства электричества. Если лампы зажигает нефть, значит это кому-нибудь нужно…
Материал подготовил Дмитрий Шевко
Изображения взяты из открытых источников