Альтернативные способы получения электроэнергии: Виды альтернативной энергетики. Справка — РИА Новости, 13.11.2009

Содержание

Альтернативные источники энергии: виды и использование

В течение всего периода развития цивилизации происходила борьба за обретение новых, более эффективных форм энергии. За тысячи лет был пройден путь от овладения огня до применения управляемой ядерной реакции в атомных электростанциях. Поэтому в истории человечества принято выделять несколько энергетических революций, которые заключались в переходе от одного доминирующего первичного источника энергии к другому. Результаты этих изменений затрагивали не только сферу энергетики и экономики, но и меняли социальный и культурный облик цивилизации.

В настоящее время Мировая энергетика находится на перепутье. С увеличением народонаселения Земли экономика требует все больше энергии, а запасы ископаемого топлива, на котором основана традиционная энергетика, не безграничны. Рост стоимости ископаемого топлива усугубляется и тем, что достигшее колоссальных размеров использование углеводородов наносит ощутимый вред окружающей среде, что отражается на качестве жизни населения. А это означает, что в будущем потребности в энергии, а значит и в новых способах её получения, будут только увеличиваться. На смену эре углеводородов (нефти и газа), придет эра использования альтернативной, чистой энергии.

Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к АИЭ:

Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий (в т.ч. ядерных и термоядерных), их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.

Политический: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы.

Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости энергии из традиционных источников, да и сроки окупаемости строительства альтернативных электростанций существенно короче. Цены на альтернативную энергию снижаются, а на традиционную — постоянно растут.

Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС, – всё это увеличивает социальную напряженность.

Эволюционно-исторический: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

Именно с нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) связывают будущее энергетики. Усилиями мировой науки было обнаружено множество таких источников, большинство из них уже используется более или менее широко. В настоящее время общий вклад ВИЭ в мировой энергобаланс пока невелик, около 20 % конечного потребления энергии. При этом на долю биотоплива и гидроэнергии, используемых традиционными способами, приходится основная часть – около 17 %, на долю нетрадиционных ВИЭ всего около 3 %.

Наиболее известны и частично применяются следующие виды энергии:

— энергия Солнца;
— энергия ветра;
— биоэнергетика;
— энергия приливов и волн;
— тепловая энергия Земли.
— энергия атмосферного электричества и грозовая энергетика.

Из всех существующих видов альтернативной энергетики самыми востребованными являются солнечная, ветро- и гидроэнергетика.

Энергия солнца

Всевозможные гелиоустановки используют солнечное излучение как альтернативный источник энергии. Излучение Солнца можно использовать как для нужд теплоснабжения, так и для получения электричества.

Существуют разные способы преобразования солнечного излучения в тепловую и электроэнергию и, соответственно, различные типы солнечных электростанций. Наиболее распространены станции, использующие фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), объединенные в солнечные батареи.

Солнечные электростанции активно используются более чем в 80 странах мира. Большинство крупнейших фотоэлектрических установок мира находятся в США.

К преимуществам солнечной энергии можно отнести возобновляемость данного источника энергии, бесшумность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу при переработке солнечного излучения в другие виды энергии.

Недостатками в использовании солнечной энергии являются дороговизна оборудования, зависимость интенсивности солнечного излучения от суточного и сезонного ритма, а также, необходимость больших площадей для строительства солнечных электростанций. Также серьёзной экологической проблемой является использование при изготовлении фотоэлектрических элементов для гелиосистем ядовитых и токсичных веществ, что создаёт проблему их утилизации.

Энергия ветра

Одним из перспективнейших источников энергии является ветер. Принцип работы ветрогенератора элементарен. Сила ветра, используется для того, чтобы привести в движение ветряное колесо. Это вращение в свою очередь передаётся ротору электрического генератора.

Ветроэнергетические установки (ветряные электростанции) широко используются в США, Китае, Индии, а также в некоторых западноевропейских странах (например в Дании, где 25% всей электроэнергии добывают именно таким способом). Ветроэнергетика является весьма перспективным источником альтернативной энергии, в настоящее время многие страны значительно расширяют использование электростанций данного типа.

Преимуществом ветряного генератора является, прежде всего, то, что в ветряных местах, ветер можно считать неисчерпаемым источником энергии. Кроме того, ветрогенераторы, производя энергию, не загрязняют атмосферу вредными выбросами.

К недостаткам устройств по производству ветряной энергии можно отнести непостоянство силы ветра и малую мощность единичного ветрогенератора. Также ветрогенераторы известны тем, что производят много шума (вследствие чего их стараются строить вдали от мест проживания людей), мешают перелетам птиц и насекомых, а также создают помехи в прохождении радиоволн и работе военных.

Биоэнергетика

Биоэнергетика позволяет из биотоплива разного вида получать энергию и тепло. Биоэнергетика сейчас находится в стадии активного развития. Крупные промышленные и сельскохозяйственные предприятия активно переходят на биотопливо, что дает им получать электроэнергию и тепло из органического мусора.

К альтернативным источникам энергии относятся не все виды биотоплива: традиционные дрова тоже являются биотопливом, но не являются альтернативным источником энергии. Альтернативное биотопливо бывает твердым (отходы деревообработки и сельского хозяйства), жидким (биодизель и биомазут, а также метанол, этанол, бутанол) и газообразное (водород, метан, биогаз).

Основными преимуществами является утилизация органического мусора, снижение уровня загрязнения окружающей среды. Биотопливо изготавливается из различного сырья, такого как навоз, отходы сельскохозяйственных культур и растений, выращенных специально для топлива. Это возобновляемые ресурсы, которые, вероятно, не закончатся в ближайшее время. Биотопливо снижает выбросы парниковых газов. Кроме того, при выращивании культур для биотоплива они частично поглощают оксид углерода, что делает систему использования биотоплива ещё более устойчивой.

Биотопливо довольно легко транспортировать, оно обладает стабильностью и довольно большой «энергоплотностью», его можно использовать с незначительными модификациями существующих технологий и инфраструктуры.

К недостаткам применения биотоплива относятся:

— ограничения региональной пригодности (в некоторых местностях просто невозможно выращивать биотопливные культуры, например, в местности с холодным или засушливым климатом).

— водопользование – чем меньше воды используется для выращивания сельскохозяйственной культуры, тем лучше, так как вода является ограниченным ресурсом.

— продовольственная безопасность (слишком активное выращивание биотоплива может привести к голоду). Проблема с выращиванием сельскохозяйственных культур для топлива заключается в том, что они займут землю, которую можно было бы использовать для выращивания продуктов питания.

— разрушение среды обитания животных и риск изменения окружающей среды, вследствие применения удобрений и пестицидов при выращивании биотопливных культур (чаще всего это монокультуры для удобства выращивания).

Энергия приливов и волн

Мировой океан аккумулирует энергию в разных видах: энергию биомассы, энергию приливов и отливов, энергию океанических течений, тепловую энергию и др. Проблема заключается в том, чтобы найти экономически и экологически приемлемые способы ее использования. По прогнозным оценкам доступная часть энергии Мирового океана во много раз превышает уровень потребления всех энергетических ресурсов в мире.

По оценкам Ocean Energy Systems, к 2050 г. с помощью подобных технологий можно будет вырабатывать 300 ГВт – это столько же, сколько бы производили 250 ядерных реакторов. А UK Carbon Trust прогнозирует, что к тому времени уже возникнет всемирный рынок приливной энергии стоимостью 126 млрд фунтов стерлингов.

В Японии протестировали устройство, которое генерирует электроэнергию из океанических течений. Испытание установки было проведено на юго-западе префектуры Кагошима. Течения у Кагошимы постоянны по силе и направлению. Турбина экспериментального генератора была установлена на уровне 20-50 м под поверхностью воды. Генератор развил мощность производства электроэнергии всего 30 кВт. Конечно, это немного, но главное – изобретение работает. Ученые полагают, что такой метод генерации электричества может быть более стабильным, чем солнечная энергетика. Организация по разработке новых энергетических и промышленных технологий NEDO надеется внедрить эту технологию в промышленное использование к 2020 г.

В США извлекают энергию из волн.

Исследователи Технологического института Джорджии разработали устройство, преобразующее в электричество энергию волн океана очень широкого диапазона частот. Энергия волн океана — самая слаборазвитая отрасль чистой энергетики. Хотя океан потенциально способен обеспечить энергией весь мир, пока что не существует экономически выгодного способа ее извлечения. Основная проблема в том, что океанские волны непостоянны и колеблются с низкой частотой, тогда как большинство генерирующих устройств лучше всего работают с постоянной амплитудой и высокой частотой.

В прошлом году в проливе Пентленд-Ферт на северном побережье Шотландии началась первая фаза строительства крупнейшей в мире приливной электростанции MeyGen, итоговая мощность которой может достичь 398 МВт. Станция способна обеспечить электричеством 175 тыс. домохозяйств. Возобновляемая энергия приливов стала одним из важнейших направлений новой энергетики, развиваемой в Шотландии. Шотландские приливы, одни из самых мощных в Европе, помогут развить эту многообещающую технологию и сократить выбросы углекислого газа. Шотландия планирует полностью (на 100%) перейти на возобновляемую электроэнергию уже в 2030 г. Достигнутый в 2016 г. уровень составил около 60%.

Аналогичные технологии применяются уже и в Северной Америке – на побережье Новой Шотландии. Эта провинция на северо-востоке Канады действительно напоминает Шотландию — и не в последнюю очередь благодаря высоким приливам.

В ноябре прошлого года там, в заливе Фанди начал работу первый в Северной Америке приливной электрогенератор. Он занимает пять этажей и весит тысячу тонн, его мощность – 2 МВт, что достаточно для питания 500 домов.

В области разработки новейших решений для использования энергии приливов лидирует Великобритания. Этому способствует идеальная схема приливов и благоприятная регулятивная среда. Канада, Китай и Южная Корея также демонстрируют устойчивый прогресс. США также являются одним из основных центров инноваций в данной сфере.

Основные плюсы – высокая экологичность и низкая себестоимость получения энергии.

К главным минусам приливных электростанций относятся высокая стоимость их строительства и суточные изменения мощности, из-за которых электростанции этого типа целесообразно использовать только в составе энергосистем, использующих также и другие источники энергии.

Тепловая энергия Земли

Огромное количество тепловой энергии хранится в глубинах Земли. Это обусловлено тем, что температура ядра Земли чрезвычайно высока. В некоторых местах земного шара происходит прямой выход высокотемпературной магмы на поверхность Земли: вулканические области, горячие источники воды или пара. Энергию этих геотермальных источников и предлагают использовать в качестве альтернативного источника сторонники геотермальной энергетики. Используют геотермальные источники по-разному. Одни источники служат для теплоснабжения, другие – для получения электричества из тепловой энергии.

Для разработки этого источника энергии используются геотермальные электростанции, использующие энергию высокотемпературных грунтовых вод, а также вулканов. На данный момент более распространенной является гидротермальная энергетика, использующая энергию горячих подземных источников. Гидротермальная энергетика, основанная на использовании «сухого» тепла земных недр, на данный момент развита слабо; основной проблемой считается низкая рентабельность данного способа получения энергии.

К преимуществам геотермальных источников энергии можно отнести неисчерпаемость и независимость от времени суток и времени года.

К негативным сторонам можно отнести тот факт, что термальные воды сильно минерализованы, а зачастую ещё и насыщены токсичными соединениями. Это делает невозможным сброс отработанных термальных вод в поверхностные водоёмы. Поэтому отработанную воду необходимо закачивать обратно в подземный водоносный горизонт. Кроме того, некоторые учёные-сейсмологи выступают против любого вмешательства в глубокие слои Земли, утверждая, что это может спровоцировать землетрясения.

Атмосферное электричество и грозовая энергетика

Атмосферное электричество может стать еще одним существенным источником экологически чистой энергии. В нижних слоях атмосферы Земли идут интенсивные процессы испарения, переноса тепла и влаги, образования облаков, сопровождающиеся явлениями электризации. В результате, у поверхности Земли напряженность электростатического поля достигает 100…150 В/м летом и до 300 В/м зимой, значительно изменяясь от погодных условий. В атмосфере постоянно висит положительный объемный заряд величиной около 0,57 млн. кулонов. Энергетический ресурс заряженной атмосферы оценивается величиной около 107 ГВт, что не менее чем в 250 раз превышает потребности человеческой цивилизации в энергии.

Вопросы формирования электрической энергии в атмосфере и использования электричества, сформированного естественным путем, тревожили умы многих ученых на протяжении столетий. Все началось со знаменитого опыта Бенджамина Франклина в июне 1752 года, когда он поднял воздушного змея перед грозовым облаком, и экспериментально доказал, что грозовые явления имеют электрическую природу. В 1850–1860-х годах получили патенты на изобретения в области атмосферного электричества Лумис и Уард в США, во Франции. Среди тех, кто мечтал завоевать и использовать атмосферное электричество в качестве практически неиссякаемого источника энергии был и знаменитый изобретатель Никола Тесла, предложивший способ преобразования высокого постоянного напряжения атмосферы в низкое переменное. В Финляндии Герман Плаусон провел эксперименты с аэростатами, изготовленными из тонких листов магниево-алюминиевого сплава, покрытого очень острыми, изготовленными электролитическим способом иглами. На свои устройства он в 1920-х годах получил патенты США, Великобритании и Германии.

К сожалению все предложенные грандиозные устройства так и не получили широкого практического применения ввиду их громоздкости, непрактичности, опасности, а самое главное, нестабильности снимаемой мощности, которая целиком зависит от «электрической погоды» в атмосфере. Но ни смотря, ни на что, интерес к исследованиям атмосферного электричества не угас, и в самые недавние годы достигнуты значительные успехи.

Новые исследования, проведенные учеными из университета Кампинаса в Бразилии, позволили по-новому взглянуть на задачу получения энергии из атмосферного электричества. В результате этих исследований ученые точно определили, каким именно образом происходит процесс формирования и момент высвобождения электричества из капелек влаги скопившейся в воздухе, как создаются электрические заряды в атмосфере, как они распространяются и каким образом они могут быть преобразованы в электрический ток, пригодный для использования.

В качестве преимуществ атмосферных электростанций отмечаются следующие факторы:

— атмосферная электростанция способна вырабатывать энергию постоянно и не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей;

— в случае открытия способа хранения и создания суперконденсатора атмосферного электричества, он будет постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии – солнца и радиоактивных элементов земной коры;

— электроразрядное оборудование атмосферных станций не бросается в глаза. Оно находятся в верхних слоях атмосферы, слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом.

Недостатки:

— атмосферное электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать. Его необходимо либо использовать сразу же, на месте получения, либо преобразовывать в любую другую форму, например в водород;

— значительная разрядка земельно-ионосферного суперконденсатора может нарушить баланс глобального электрического контура. В этом случае последствия для окружающей среды будут непредсказуемы;

— высокое напряжение в системах атмосферных электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала;

— электроразрядное оборудование необходимого размера сложно обслуживать и поддерживать на необходимой высоте. Кроме того, они могут представлять опасность для авиации.

Грозовая энергетика – это пока лишь теоретическое направление. Молния – это сложный электрический процесс. Для того, чтобы «поймать» и удержать энергию молнии, нужно использовать мощные и дорогостоящие конденсаторы, а также разнообразные колебательные системы. Пока еще грозовая энергетика неоконченный и не совсем сформированный проект, хотя и достаточно перспективный. Его привлекательность состоит в возможности постоянно восстанавливать ресурсы.

Вспышки молний на поверхности Земли происходят практически одновременно в самых разных местах планеты. Специалисты NASA, работая со спутником «Миссия измерения тропических штормов», проводят исследования грозовой активности в разных уголках нашей планеты. Ими собраны данные о частоте происхождения молний и создана соответствующая карта. Были установлены определенные регионы, в которых на протяжении года возникает до 70 ударов молнии на квадратный километр площади, и где в перспективе экономически целесообразно использовать данный вид энергии.

Сейчас ученые всего мира изучают этот сложный процесс и разрабатывают планы и проекты по устранению сопутствующих проблем. Возможно, со временем человечество сможет укротить «строптивую» энергию молнии и перерабатывать ее в ближайшем будущем.

Список литературы

Боровский, Ю. В. Современные проблемы мировой энергетики / Ю.В. Боровский, М.: Навона, 2011 г. – 232 с.
Дегтярев, К.С. К вопросу об экономике возобновляющихся источников энергии / К.С. Дегтярев, А.М. Залиханов, А.А. Соловьев, Д.А. Соловьев // Энергия. Экономика. Техника. Экология. – 2016. – № 10. – С. 10–21.
Довгалюк, Ю.А. О прогнозе развития конвективных облаков и связанных с ними опасных явлений с помощью модели малой размерности / Ю.А. Довгалюк, Н.Е. Веремей, А.А. Синькевич., А.К. Слепухина // Вопросы физики облаков. Сборник статей памяти С.М. Шметера. М: ГУ «НИЦ» Планета, 2008. – 167 с.
Кузнецов, Д.А. Возможности развития современной грозовой энергетики / Д.А. Кузнецов // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 4-6.
Огарков, А.И. Большая эффективность малой энергетики / А.И. Огарков // АПК: экономика, управление. – 2007. – № 6. – С. 2–6.

Суслов, Н.И. Возобновляемые источники энергии в стране, где много традиционных ресурсов: еще о России / Н. И. Суслов // ЭКО. – 2014. – № 3. – С. 69–87.

Картинки взяты с сайта по ссылке.

Король Раиса Александровна

e-mail: [email protected]

Альтернативные источники энергии — обзор, плюсы и минусы

Для получения любого вида энергии необходим определенный источник. Как известно, существуют традиционные и нетрадиционные источники энергии. Их обычно называют альтернативными.

Традиционными источниками энергии являются нефть, уголь, природный газ. Запасы данных источников энергии исчерпаемы, подлежат длительному восстановлению, а также отрицательно отражаются на экологическом состоянии планеты. Поэтому большинством стран мира в качестве основного направления развития энергетики определено производство энергии с помощью альтернативных источников. Альтернативные источники энергии относятся к возобновляемым ресурсам, они более экологичны и экономичны.

Вид альтернативного источника энергии	Способ применения
Энергия солнечного излучения	Фотоэлектрическая панель (ФЭП) Солнечный коллектор Солнечная электростанция (СЭС)
Энергия ветра	Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) Ветряная электростанция (ВЭС)
Гидроэнергия	Гидроэлектростанция (ГЭС)
Энергия приливов и отливов	Приливная электростанция (ПЭС)
Энергия волн океанов и морей	Волновая электростанция (ВЭС)
Геотермальная энергия	Геотермальная станция (ГеоТЭС)
Энергия биомассы (биоэнергия)	Переработка твердых, жидких и газообразных видов биотоплива термохимическими, физико-химическими, либо биохимическими методами

Энергия электромагнитного солнечного излучения

Солнечное излучение может использоваться для выработки электро- и тепловой энергии. Прямое преобразование солнечной радиации в электроэнергию производится как путем прямого преобразования на фотоэлектрических панелях, так и косвенно с использованием термодинамических методов (получение пара с высоким давлением).

Получение тепловой энергии из солнечной производится за счет поглощения данной энергии и дальнейшего нагрева поверхности и теплоносителя. Для этого используются специальные коллекторами и приемы «солнечной архитектуры».

Совокупность установок для преобразования энергии Солнца составляет солнечную электростанцию.

Кинетическая энергия ветра

Она служит для преобразования в механическую, тепловую, а также, чаще всего, в электроэнергию. Чтобы получить механическую энергию из кинетической энергии воздушных масс применяют элементарные ветряные мельницы. Однако для дальнейшего преобразования полученной механической энергии необходимо использование ветрогенератора.

Ветрогенератор позволяет преобразовать механическую энергию вращения ротора в электрическую. Существует возможность накопления полученной электроэнергии при помощи аккумуляторных батарей и использования только при необходимости. Такая установка будет называться ветроэнергетической, или ветроустановкой. Совокупность нескольких ветроустановок будет называться ветряной электростанцией.

Гидроэнергия

Гидроэнергия — это энергия, сосредоточенная в потоках водных масс в русловых водотоках и приливных движениях. Чаще всего используется энергия падающей воды. Для повышения разности уровней воды, особенно в нижних течениях рек, сооружаются плотины. Гидроэнергию можно преобразовывать в механическую либо электроэнергию с помощью гидротурбин. Данные установки называют гидроэлектростанциями (ГЭС).

Энергия приливов и отливов

Преобразование энергии приливов и отливов в электроэнергию производится на приливных электрических станциях двумя способами:

Первый способ по принципу преобразования энергии аналогичен преобразованию энергии на гидроэлектростанции путем вращения турбины, связанной с электрогенератором;

При втором способе используется энергия движения воды; данный способ основан на перепаде уровня воды при приливах и отливах.

Энергия волн

Энергия волн используется для получения механической и электрической энергии. Преобразование происходит на специальных волновых электростанциях, принцип работы которых основан на оказании воздействия волн на следующие применяемые устройства: поплавки, маятники, лопасти. Перемещение данных устройств образует механическую энергию, которая далее при помощи электрогенератора преобразуется в электроэнергию.

Геотермальная энергия или энергия тепла Земли

Она может использоваться по прямому назначению, либо для получения электроэнергии. Преобразование энергии происходит на геотермальных станциях – ГеоТЭС.

Источники геотермальной энергии могут быть высоко- и низкопотенциальными. К высокопотенциальным источникам относятся гидротермальные ресурсы (термальная вода). Их применяют для отопления помещений.

Низкопотенциальные источники энергии, в свою очередь, бывают естественными (воздух атмосферы, грунтовая вода, сам грунт) и искусственными (вентиляционный воздух помещения, отработанные воздух, вода или тепло). Данные источники применяют для кондиционирования, теплоснабжения и горячего водоснабжения.

Биоэнергия

Биоэнергию производят из разных видов биологического сырья, которое получается после переработки биоотходов. Из твердых (щепа, пеллеты, древесина, солома), жидких (биоэтанол, биометанол, биодизель) и газообразных (биогаз, биоводород) видов биологического топлива путем термохимических (пиролиз, сжигание), физико-химических (биоконверсия), либо биохимических (анаэробное брожение биомассы) методов преобразования получают тепловую или электрическую энергию.

Преимущества и недостатки альтернативных источников энергии следует рассматривать в индивидуальном порядке, однако выделим несколько общих плюсов и минусов, характерных для всех источников.

Плюсы использования альтернативных источников энергии

Возобновляемость
Экологический аспект.
Широкое распространение, доступность.
Низкая себестоимость производства энергии в обозримом будущем.

Минусы применения альтернативных источников энергии

Непостоянство, зависимость от погодных условий и времени суток.
Невысокий коэффициент полезного действия (за исключение водных источников энергии).
Высокая стоимость
Недостаточная единичная мощность установок.

Оставить заявку на консультацию

Более подробную информацию по использованию альтернативных источников энергии для Вашего объекта Вы сможете узнать по телефонам:

+375 29 571 65 85
+375 29 101 02 58

Приглашаем к сотрудничеству архитекторов, монтажников и строительные организации.

Статья подготовлена с использованием материалов с сайта https://plusiminusi.ru

Центр данных по альтернативным видам топлива: производство и распределение электроэнергии

Полностью электрические транспортные средства и подключаемые гибридные электромобили (PHEV), которые в совокупности называются электромобилями (EV), хранят электроэнергию в батареях для питания одного или нескольких электродвигателей. Аккумуляторы заряжаются в основном путем подключения к внешним источникам электроэнергии, произведенным из природного газа, ядерной энергии, угля, энергии ветра, гидроэнергетики и солнечной энергии.

Полностью электрические транспортные средства, а также PHEV, работающие в полностью электрическом режиме, не производят выбросов выхлопных газов. Однако существуют выбросы, связанные с большей частью производства электроэнергии в Соединенных Штатах. Дополнительную информацию о местных источниках электроэнергии и выбросах см. в разделе «Выбросы».

Производство

По данным Управления энергетической информации США, в 2020 году большая часть электроэнергии в стране была произведена за счет природного газа, ядерной энергии и угля.

Электроэнергия также производится из возобновляемых источников, таких как ветер, гидроэнергетика, биомасса, ветер и геотермальная энергия. Вместе возобновляемые источники энергии произвели около 20% электроэнергии страны в 2020 году.

Для производства электроэнергии турбогенераторная установка преобразует механическую энергию в электрическую. В случае природного газа, угля, ядерного деления, биомассы, нефти, геотермальной и солнечной энергии производимое тепло используется для создания пара, который приводит в движение лопасти турбины. В случае ветряной и гидроэнергетики лопасти турбины приводятся в движение непосредственно потоками ветра и воды соответственно. Солнечные фотоэлектрические панели преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество с помощью полупроводников.

Количество энергии, производимой каждым источником, зависит от сочетания видов топлива и источников энергии, используемых в вашем районе. Чтобы узнать больше, см. раздел о выбросах. Узнайте больше о производстве электроэнергии от Управления энергетической информации Министерства энергетики США.

Передача и распределение электроэнергии

Электричество в Соединенных Штатах часто перемещается на большие расстояния от генерирующих мощностей до местных распределительных подстанций по передающей сети протяженностью почти 160 000 миль высоковольтных линий электропередачи. Генерирующие объекты обеспечивают электроэнергию в сеть при низком напряжении, от 480 вольт (В) на малых генерирующих объектах до 22 киловольт (кВ) на более крупных электростанциях. Как только электроэнергия выходит из генерирующего объекта, напряжение увеличивается или «повышается» с помощью трансформатора (типовой диапазон от 100 кВ до 1000 кВ), чтобы минимизировать потери мощности на больших расстояниях. По мере того, как электроэнергия передается по сети и поступает в районы нагрузки, напряжение понижается трансформаторами подстанции (в диапазоне от 70 кВ до 4 кВ). Чтобы подготовиться к подключению клиентов, напряжение снова снижается (бытовые потребители используют 120/240 В; коммерческие и промышленные потребители обычно используют 208/120 В или 480/277 В).

Электрические транспортные средства и мощность электрической инфраструктуры

Полностью электрические транспортные средства и подключаемые гибридные электромобили представляют собой растущий спрос на электроэнергию, что может оказать негативное воздействие на энергосистему. Хотя эти новые нагрузки вряд ли истощат большую часть наших существующих генерирующих ресурсов, высокие совпадающие пики зарядки электромобилей в концентрированных местах могут вызвать нагрузку на близлежащее распределительное оборудование. Усовершенствованное планирование сети и решения, такие как интеллектуальное управление зарядкой, будут важны для обеспечения того, чтобы существующая электрическая инфраструктура могла безопасно поддерживать районы со значительным увеличением спроса, связанного с электромобилями, в зависимости от того, когда, где и на каком уровне мощности транспортные средства заряжаются.

Спрос на электроэнергию растет и падает в зависимости от времени суток и времени года. Мощности по производству, передаче и распределению электроэнергии должны быть в состоянии удовлетворить спрос в периоды пикового использования; но большую часть времени инфраструктура электроснабжения не работает на полную мощность. В результате электромобилям вряд ли потребуется увеличение пропускной способности сети.

Согласно исследованию Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, существующая электроэнергетическая инфраструктура США имеет достаточную мощность для удовлетворения около 73% энергетических потребностей легковых автомобилей страны. Согласно моделям развертывания, разработанным исследователями из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), разнообразие электрических нагрузок домашних хозяйств и нагрузок электромобилей должно способствовать внедрению и росту рынка электромобилей по мере расширения сетей «умных сетей». Сети интеллектуальных сетей обеспечивают двустороннюю связь между коммунальным предприятием и его клиентами, а также наблюдение за линиями электропередачи с помощью интеллектуальных счетчиков, интеллектуальных приборов, возобновляемых источников энергии и энергосберегающих ресурсов. Сети интеллектуальных сетей могут обеспечивать возможность мониторинга и защиты жилой распределительной инфраструктуры от любых негативных воздействий из-за повышенного спроса на электроэнергию для транспортных средств, поскольку они способствуют зарядке в непиковые периоды и снижают затраты для коммунальных служб, операторов сетей и потребителей.

Анализ NREL также продемонстрировал потенциал синергии между электромобилями и распределенными источниками возобновляемой энергии. Например, маломасштабные возобновляемые источники энергии, такие как солнечные батареи на крыше, могут как обеспечивать чистую энергию для транспортных средств, так и снижать спрос на распределительную инфраструктуру за счет выработки электроэнергии рядом с точкой потребления. Чтобы коммунальные предприятия могли в полной мере реализовать преимущества этих технологий, необходимо внедрить интеллектуальное управление зарядкой, чтобы влиять на зарядку электромобилей.

Коммунальные предприятия, производители транспортных средств, производители зарядного оборудования и исследователи работают над тем, чтобы электромобили плавно интегрировались в электрическую инфраструктуру США. Некоторые коммунальные службы предлагают более низкие тарифы в непиковое время, чтобы стимулировать зарядку жилых транспортных средств, когда спрос на электроэнергию самый низкий. Транспортные средства и многие типы зарядного оборудования (также известного как оборудование для питания электромобилей или EVSE) можно запрограммировать на отсрочку зарядки до непикового времени. «Умные» модели даже способны связываться с сетью, агрегаторами нагрузки или владельцами объектов/домов, позволяя им автоматически взимать плату, когда спрос на электроэнергию и цены на нее оптимальны; например, когда цены самые низкие, соответствующие местным потребностям распределения (таким как температурные ограничения) или соответствующие возобновляемым источникам энергии.

10 невероятных новых способов производства электроэнергии

Цивилизация под угрозой. Кажется очевидным, что традиционные методы производства электроэнергии нежизнеспособны, и мы должны найти новые способы производства электроэнергии, которые не производят столько углерода (или стирают пыль со старых, как природный газ и ядерная энергия).

Потребность в альтернативных источниках энергии не нова. Мы видели массивные солнечные батареи, открытые в бескрайних пустынях, огромные ветряные электростанции на суше и в море, волновые лучи, преобразующие энергию наших океанов, и решения, связанные с биомассой, появляются и исчезают.

Однако эти виды альтернативной энергии — не единственная игра в городе. Вот 10 новых способов выработки электроэнергии.

1. Сбор тепла тела

Несколько крупных городов запустили проекты по сбору тепла, оставшегося в их обширных системах метро. Миллионы пассажиров, а также двигатели поездов и тормоза, работающие в закрытой среде метро, выделяют огромное количество тепла.

Операторы метро уже давно осознают проблему тепла, поскольку им приходится тратить значительные суммы денег на отвод тепла обычными способами. Однако теперь операторы метро лучше используют это избыточное тепло: снабжают электроэнергией и обогревом местные дома и предприятия. В Лондоне сотни домов вокруг Хайбери и Ислингтона являются частью схемы по сбору тепла из лондонского метро, в то время как аналогичные схемы существуют по всей Европе.

Но это не просто услуги подземного метро по сбору и преобразованию тепла. Например, торговый центр Mall of America площадью 2,5 миллиона квадратных футов использует тепло, выделяемое огромным количеством людей, проходящих через него. Эта жара борется с обычно суровой миннесотской зимой — настолько, что в здании нет традиционной системы центрального отопления — новаторское мышление для проектировщиков еще в начале 90-х.

Связанный: Сколько энергии использует ваш компьютер?

2. Конфискованный алкоголь

Предоставлено: Шведский биогазовый поезд через Викимедиа.

Когда жизнь дает тебе лимоны, сжигай лимоны и используй их для силовых поездов.

Национальная таможенная служба Швеции ежегодно конфискует сотни тысяч единиц контрабандного алкоголя. Вместо того, чтобы выливать все это в канализацию, что является пустой тратой, почему бы не превратить это во что-то полезное?

Работая со Svensk Biogas AB, шведское таможенное агентство намерено продолжать превращать этот бесплатный ресурс в энергию до тех пор, пока контрабандисты будут пытаться пересечь границу.

К 2013 году автобусные парки в более чем дюжине шведских городов работали на биогазе, хотя и не все из-за контрабандного алкоголя.

3. Использованные подгузники для взрослых

Население Японии быстро стареет. В то время как старение японского населения может вызывать более широкую экономическую озабоченность, компания Super Faiths Inc. ., базирующаяся в Тоттори, разработала инновационную систему рециркуляции SFD , которая рассматривает это бремя как решение проблемы с электроэнергией и, безусловно, представляет собой интересный альтернативный способ производства электроэнергии.

Система переработки SFD принимает использованные подгузники, затем стерилизует, измельчает и сушит их в своей запатентованной машине, возвращая готовые к сжиганию гранулы биомассы в соответствующей печи, возвращая около 5000 ккал на переработанный кг.

Неплохой доход для совершенно бесполезной свалки. Способная «обслуживать» около 700 фунтов использованных подгузников в день, система вполне может найти применение в домах престарелых и крупных больницах.

4. На танцполе

Кинетическая энергия, вырабатываемая нашими повседневными задачами, находится в центре внимания, поскольку станции метро, ночные клубы и спортивные залы начинают использовать пьезоэлектрические технологии сбора. Пьезоэлектричество генерируется в некоторых кристаллах в ответ на силу сжатия. Если у вас есть поверхность, которая по какой-либо причине движется, вы можете прикрепить к ней пьезоэлектрические кристаллы и получить небольшое количество энергии.

Накопленная электроэнергия может быть использована для питания служб в том же здании или районе или направлена в новое место. Пьезоэлектричество не является совершенно новым явлением, поскольку DARPA оценивает пьезоэлектрические генераторы в ботинках солдат.

Однако мы используем пьезоэлектричество чаще, чем вы думаете: электрические зажигалки оснащены пьезоэлектрическим кристаллом с достаточным напряжением, чтобы поджечь газ, в результате чего возникает пламя.

В дикой природе мы видели, как станция метро Токио приводит в действие свои турникеты для билетов и первый в мире экологичный ночной клуб в Роттердаме, Нидерланды. Производство пьезоэлектрической энергии также перемещается в железнодорожный сектор.

В сотрудничестве с Университетом Технион и компанией Innowatech, специализирующейся на возобновляемых источниках энергии, Израильские железные дороги установили 32 пьезоэлектрических устройства улавливания энергии на достаточно загруженном участке железной дороги, вырабатывая около 120 кВтч, что достаточно для питания сигнальных огней и путевых механизмов.

5. Ториевые реакторы

Миниатюрные ядерные реакторы, работающие на одной тонне радиоактивного тория, могут быть использованы в схемах местного производства электроэнергии нового поколения. Тем не менее, ториевым реакторам потребуются высокоэнергетические нейтроны для запуска их делящейся активности, что побудило британских ученых начать работу над миниатюрными ускорителями частиц.

Прототип, Электронная модель многих приложений, или EMMA, работает при напряжении около 20 миллионов электрон-вольт, или 20 МэВ, что является хорошим началом. Тем не менее, остается изрядная степень скептицизма в отношении использования тория и практических возможностей строительства и обслуживания большего количества местных ядерных реакторов.

6. Солнечная энергия в космосе

Авторы и права: Солнечная энергия в космосе через Wikimedia

Что может быть более захватывающим или футуристичным, чем массивная солнечная батарея, плавающая на платформе над планетой, излучающая беспроводное электричество к поверхности Земли. Преимуществ у этого варианта много: нет необходимости занимать ценную недвижимость на Земле и нет колебаний энергии, вызванных погодой.

Тем не менее, этой форме альтернативного производства электроэнергии предстоит пройти долгий путь. Беспроводная передача электроэнергии, долговременная радиационная защита, защита от метеоритов и высокая стоимость вывода оборудования на орбиту — вот лишь некоторые из камней преткновения.

Но Джон С. Манкинс, президент Ассоциации космической энергетики и Artemis Innovation, считает, что, поскольку ядерная энергетика получила десятилетия исследований и финансирование исследований на миллиарды долларов, почему бы не предпринять серьезные финансовые усилия для сбора солнечной энергии? из космоса?

На практике проект космической солнечной энергетики может работать примерно так:

Большой геостационарный массив будет собирать и фокусировать солнечный свет.
Фотогальванические элементы будут преобразовывать этот свет в электричество.
Это электричество будет использоваться для питания микроволнового лазера, нацеленного на наземную станцию на Земле.
Микроволновая энергия будет приниматься антенной решеткой и преобразовываться обратно в электричество.

Связанный: Потрясающие гаджеты на солнечной энергии, которые должен использовать каждый дом

7. Солнечный ветер

Авторы и права: IKAROS Solar Sail Model через Wikimedia

Раз уж мы заговорили о космосе, давайте поговорим о солнечном ветре.

Солнечный ветер состоит из огромного количества заряженных частиц, испускаемых Солнцем с чрезвычайно высокой скоростью. В принципе, эти частицы могут генерировать электричество, используя огромный солнечный парус и заряженный провод, который вырабатывает энергию из проходящего по нему солнечного ветра.

Согласно предварительному анализу, проведенному Вашингтонским университетом, количество энергии, которое вы можете генерировать, практически безгранично и ограничено только размером развернутого вами солнечного паруса.

Триста метров медного провода, прикрепленного к двухметровому приемнику и 10-метровому парусу, могли генерировать достаточно электроэнергии для 1000 домашних хозяйств.
Спутник с 1000-метровым кабелем и парусом шириной 8400 км может генерировать один миллиард миллиардов гигаватт энергии.

Звучит хорошо? Так и было бы, если бы мы смогли изготовить и запустить такой солнечный парус на соответствующую орбиту.

Стоит отметить, что это не так надуманно, как может показаться. Японское агентство аэрокосмических исследований успешно запустило IKAROS (межпланетный воздушный змей, разгоняемый излучением Солнца) в 2010 году, став первым космическим кораблем, в котором в качестве основного двигателя используется солнечный парус. Их продолжающиеся исследования предоставляют чрезвычайно ценные данные ученым-исследователям в нескольких ключевых областях.

Тем не менее, IKAROS намного меньше, чем рассматриваемые паруса, так что не ждите, пока солнечный ветер станет практичным вариантом в ближайшем будущем.

В 2019 году Планетарное общество развернуло LightSail 2 в качестве дополнительной полезной нагрузки на одной из ракет SpaceX Falcon Heavy. LightSail 2 успешно развернул свой парус, хотя его общий успех ограничен. По словам Планетарного общества, «примерно треть времени мы [LightSail 2] находились в режиме «раскачивания», снижая скорость инерционного колеса и позволяя нашим торсионным стержням удалять угловой момент из системы».

Связанный: что такое Starlink и как работает спутниковый интернет?

8. Медуза

Предоставлено: Aequorea victoria через Wikimedia.

Наши океаны становятся более кислыми. Таким образом, популяция медуз стремительно растет. Большинство из них не предназначены для потребления человеком, но они могут оказаться более полезными для решения другой глобальной проблемы. Шведские исследователи постоянно разжижают большое количество Aequorea victoria, светящихся медуз, обычных для берегов Северной Америки.

Зеленый флуоресцентный белок (GFP), содержащийся в медузе, можно использовать для создания миниатюрных топливных элементов, которые можно использовать для питания поколения медицинских наноустройств. GFP, нанесенный на алюминиевые электроды и подвергнутый воздействию ультрафиолетового света, генерирует мощность, измеряемую «десятками наноампер».

Это немаловажно. Разработка биологического топлива может позволить дальнейшие исследования био-нанотехнологий, которые не требуют внешнего топлива или электрического тока для продолжения работы. Если бы эту технологию можно было масштабировать, она могла бы быть чрезвычайно полезной в долгосрочной перспективе, особенно если проблема с кислотностью океана сохранится.

9. Сбор и переработка радиоволн

Исследовательская группа, занимающаяся переработкой радиоволн, надеется развернуть свою технологию на нескольких объектах. Идея сбора и переработки радиоволн и других электромагнитных волн не совсем нова, но масштабы сбора растут.

Исследовательская группа под руководством Маноса Тенцериса разработала технологию повторного использования и сбора энергии из различных источников, включая Wi-Fi, телеканалы, портативные электронные устройства и многое другое. В процессе сбора используются сверхширокополосные антенны, способные принимать широкий спектр сигналов в разных частотных диапазонах.

Радиосигналы и другие электромагнитные частоты постоянно распространяются вокруг нас. Превращение некоторых из этих частот обратно в энергию могло бы изменить правила игры и стать инновационным методом производства электроэнергии.

10. Из воздуха

Святым Граалем производства энергии и электричества является создание ее из воздуха, создание бесконечного и неисчерпаемого источника энергии. Исследовательская группа из Массачусетского университета в Амхерсте считает, что они создали устройство, которое использует природный белок для выработки электричества из влаги, присутствующей в воздухе.

«Air-gen» использует крошечные электропроводящие нанопровода на основе белка. Исследовательская группа подключает нанопровода к генератору, который вырабатывает электричество из влажности и влаги в воздухе.

На момент написания проект оставался небольшим.

РубрикаПол