Распределение электрических нагрузок между электрическими станциями различных типов. Альтернативная энергетика: за чем будущее

Руслан Шамуков/ТАСС, архив

В большинстве развитых стран мира реализуются программы в области альтернативной энергетики. По некоторым оценкам, в РФ все еще не выработана система развития зеленой энергетики

Одной из тем ХХ Петербургского международного экономического форума является альтернативная энергетика и перспективы ее развития. Свое видение этой проблемы представил ТАСС эксперт РАНХиГС Иван Капитонов.

Мейнстримом последнего десятилетия является экологизация энергетики во всем мире, в том числе и в России. Пессимистическая гипотеза 80-90-х гг. ХХ в. о критическом сокращении запасов углеводородного сырья и глобальном дефиците нефтепродуктов, резкий скачок цен на энергоносители в начале XXI в., общий рост техногенной и антропогенной экологической нагрузки, изменение климата отразились в изменении приоритетов развития мировой энергетики в сторону повышения важности возобновляемых источников энергии (ВИЭ), добычи альтернативных видов топлива и ускорения темпов роста энергоэффективности.

Еще в 2011 г. возобновляемая энергетика была определена экспертами Евростата как сектор, находящийся на стадии внедрения и обладающий средним уровнем конкурентоспособности. В то же время глобальный спрос на ВИЭ демонстрирует устойчивый рост. Ожидается, что к 2050 г. их удельный вес в мировом энергетическом балансе достигнет 35%, что является, пожалуй, самым оптимистичным прогнозом по ВИЭ из имеющихся.

За бортом "зеленой революции"?

Ни для кого не секрет, что в большинстве развитых стран мира разрабатываются и реализуются программы, связанные с альтернативной энергетикой. Ключевые преимущества ВИЭ – неисчерпаемость и экологичность – служат основанием для динамичного развития зеленой энергетики.

По мнению американского ученого-эколога Вудроу Кларка, с распространением возобновляемых источников энергии зеленую трансформацию энергетических рынков можно увидеть в странах ЕС, Азии и Китае. При этом если США находится на начальном этапе жизненного цикла развития ВИЭ, то Россия более активно движется вперед, в сторону зеленой промышленной переработки возобновляемых источников энергии.

В то же время другой эксперт – член форума энергетического права Анатоль Бут из Абердинского университета – отметил, что по состоянию на 2014 г. в России все еще не была выработана эффективная система стимулирования развития экологически чистой энергии.

По его мнению, это может привести к тому, что Россия окажется за бортом "зеленой революции" и значительно отстанет от развитых стран и других государств БРИК в сфере разработки экологически чистых технологий.

В актуальной на сегодняшний день Энергетической стратегии России на период до 2030 г. (ЭС-2030), принятой в 2009 г., отмечено, что на момент разработки стратегии РФ была "практически не представлена на мировом рынке энергетики, основанной на возобновляемых источниках энергии".

В то же время дальнейший прогноз развития был построен на гипотезе смягчения диспропорций, связанных с доминированием в структуре потребления топливно-энергетических ресурсов углеводородного топлива и малым удельным весом нетопливных энергоресурсов (энергия атомных электростанций, возобновляемых источников энергии).

В развитие положений ЭС-2030 и еще не утвержденной ЭС-2035 Институтом энергетической стратегии подготовлен проект Концепции Энергетической стратегии России, в которой уже взят более поздний период - 2036-2050 гг. Он обозначен как "этап инновационного развития российской энергетики с переходом к принципиально иным технологическим возможностям высокоэффективного использования традиционных энергоресурсов и неуглеводородных источников энергии".

Таким образом, сроки конца углеводородной эпохи по документам в РФ постепенно отодвигаются все дальше.

Что происходит сегодня?

По данным на начало 2016 г., совокупная установленная мощность в России по всем видам генерации составляла 225 ГВт, из них лишь 1% приходится на долю ВИЭ, в том числе 0,6% – биомасса, 0,3% – малые ГЭС, 0,1% – ветряная, солнечная электроэнергетика и геотермальные источники.

В то же время распоряжением Правительства РФ от 28 мая 2013 г. №861-р предусмотрено, что доля зеленой энергетики на оптовом рынке к 2020 году должна составить 2,5%, или около 6 ГВт.

Для достижения этих значений с 2013 г. создана система поддержки ВИЭ на российском оптовом энергетическом рынке: ежегодно проходит отбор ветровых электростанций, солнечных электростанций и малых ГЭС, которые могут заключить договоры на поставку мощности, гарантирующие возврат инвестиций за счет повышенных платежей потребителей.

В начале 2015 г. правительством также были приняты меры по поддержке ВИЭ на розничном рынке. Так, сетевые организации обязали закупать их электроэнергию, но не более 5% от объема потерь в сетях. Механизм поддержки распространяется на объекты зеленой энергетики, использующие биогаз, биомассу, свалочный газ, энергию солнца, ветра, и на малую гидроэнергетику.

Проекты в России

Анализируя уровень эффективности уже реализованных проектов по использованию возобновляемых источников энергии в России, в свое время одобренных Министерством экономического развития по предложению Сбербанка (приказ №709 от 30 декабря 2010 г.) и получивших инвестиции в рамках Киотского протокола, на данный момент можно отметить 2 знаковых мегапроекта.

Выработка энергии с использованием древесных отходов вместо угля, г. Онега (Архангельская область).

В рамках проекта компанией KPA Unicon были поставлены в Россию две котельные Biograte мощностью 17 МВт тепла с резервным дизельным котлом мощностью 9 МВт тепла. Общая мощность котельной установки составляет 43 МВт тепла. Котлы Biograte 17 сжигают древесные отходы, в основном влажную кору, получаемую с лесопильного предприятия ОАО "Онежский ЛДК".

Целью данного проекта является модернизация имеющихся отопительных котлов и введение в действие теплоэлектроцентралей, использующих древесные отходы.

В целом по программе замещения привозного топлива на древесное топливо в Архангельской области переведены 43 котельные, построены 10 новых биотопливных котельных. Зеленая энергия уже вырабатывается в городах Онега, Североонежск, на биологическое топливо переведена отопительная инфраструктура Виноградовского района, завершается строительство котельной на древесных отходах в поселке Октябрьский на юге Архангельской области.

Архангельская область в настоящее время динамично переходит на использование альтернативных видов топлива. Удельный вес альтернативной энергетики в топливном балансе вырос в период с 2007 по 2015 г. с 18% до 37%, ожидается, что в 2020 г. данный показатель достигнет уровня в 44%.

В общей сложности в Поморье уже реализованы проекты по производству альтернативного топлива на 250 тыс. тонн в год; на стадии планирования находятся проекты, которые увеличат производство древесных гранул на 150 тыс. тонн в год. По данным прогноза Правительства Архангельской области, к 2020 г. годовой объем производства биологического топлива в регионе может достичь 400 тыс. тонн.

Ожидается, что за ближайшие пять лет Архангельская область почти на 50% заменит привозное топливо на энергоносители из древесных отходов. Это даст региону возможность примерно на 1/3 уменьшить затраты на энергетику, нарастить экспортную составляющую и обеспечить рабочими местами в сфере зеленой энергетики предприятия малого бизнеса.

Проект по выработке энергии из биоотходов, г. Братск (Иркутская область ), реализованный на базе промышленной площадки филиала группы "Илим".

Цель проекта заключается в повышении эффективности выработки тепловой и электрической энергии на основе использования пищевых отходов. Ожидалось, что модернизация местного производства электрической и тепловой энергии и улучшение использования пищевых отходов позволят сократить выбросы парниковых газов приблизительно на 1,4 трлн тонн в пересчете на CO 2 за пять лет.

С точки зрения энергоэффективности и экологии данный проект представляет собой настоящий прорыв в лесопромышленной отрасли, позволяющий при серьезном увеличении производства использовать гораздо меньше энергии. Для сравнения: в предшествующем варианте это оборудование покрывало не более 18% от потребляемой филиалом энергии, с запуском СРК предприятие планирует довести этот показатель до 50%.

Также реализуются не менее интересные и уникальные проекты возобновляемой энергетики в Российской Федерации.

"Умный вокзал" в г. Анапе: создание комбинированной фотоэлектрической системы мощностью 70 кВт .

На кровле здания вокзала размещены 560 солнечных модулей суммарной мощностью 70 кВт. Для преобразования солнечной энергии использованы четыре солнечных инвертора "Данфосс" серии TLX Pro каждый мощностью 15 кВт. Система инверторов имеет удаленное управление, позволяющее контролировать работу солнечной станции через Интернет.

Совокупный расчетный экономический эффект составляет примерно 1,5 млн руб. Важно, что он сохранится даже при условии возникновения дополнительных затрат, связанных с увеличением потребления электроэнергии и дизельного топлива в пиковые холодные периоды.

Как показал мониторинг электроэнергии, потребляемой на нужды освещения вокзала, отмечается положительная динамика роста экономического эффекта: в августе 2014 г. он составил 122 тыс. руб., в ноябре – 171 тыс. руб., а в январе 2015 г. – 192 тыс. руб.

Одна из первых в мире гибридных дизель-солнечных энергоустановок мощностью 100 кВт (с. Яйлю, Республика Алтай).

Гибридная установка мощностью 100 кВт расположена в поселке Яйлю взамен устаревшего дизельного генератора и предназначена для автономного бесперебойного снабжения населенного пункта электроэнергией. Ее эксплуатация дает возможность сократить на 50% ежегодное потребление дизельного топлива.

Указанная установка отечественной разработки комбинирует преимущества солнечной и дизельной генерации, а также использует новейшие научные достижения в сфере накопителей электроэнергии и интеллектуальных систем управления, которые позволяют максимально эффективно распределять нагрузку между фотоэлектрической системой, накопителями и дизельными генераторами.

Как отметил заместитель председателя Правительства Республики Алтай Р. Пальталлер, "дизель-солнечная электростанция, по типу и масштабам первая в России, послужит эффективной базой для научных исследований и образовательных программ в области солнечной энергетики, развитие которой имеет огромное значение в изолированной энергосистеме и труднодоступных районах".

Проект Пенжинской ПЭС, основанный на использовании энергии морских приливов, на Камчатке.

Согласно оценкам специалистов института "Гидропроект", на Пенжинской губе (расположена в северо-восточной части залива Шелихова Охотского моря) могут быть построены две крупные приливные электростанции, максимальная мощность которых способна составить до 135 ГВт.

Стоимость строительства Пенжинской ПЭС-1 (Северный створ) оценивается в $60 млрд, ПЭС-2 (Южный створ) – в $200 млрд. Срок реализации первого проекта – 2020-2035 гг. Возврат инвестиций планируется за счет реализации энергоемкого продукта, например водорода; кроме того, не исключено строительство линий электропередач в Хабаровский и Приморский край, в Японию и Китай.

Фактор господдержки

По данным исследований ученых Института энергетики Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики", государственная поддержка развития ВИЭ в Российской Федерации является важнейшим фактором роста рынка возобновляемой энергетики в стране.

Отметим, что учеными разработан проект "Дорожной карты развития ВИЭ на территории России до 2035 года", который ориентирован на ликвидацию регуляторных и институциональных барьеров для развития ВИЭ, формирование благоприятного климата для расширения сферы применения ВИЭ, развитие НТП и производство компонентов ВИЭ.

В целом следует сделать вывод, что, несмотря на введение российским правительством в действие серии различных регулятивных инструментов, которые позволяют реализовать отдельные элементы стратегии в сфере возобновляемой энергетики, пока еще рано говорить о конце эпохи углеводородов.

Доля ВИЭ низка как в РФ, так и за рубежом, и будет таковой вплоть до 2035 г. Чтобы и дальше развиваться в этом направлении темпами, соответствующими определению "зеленой революции", и выйти на плановые показатели "заката эпохи углеводородов", необходимо как можно скорее устранить существующие барьеры и привлечь инвесторов для реализации существующих и перспективных проектов использования ВИЭ, что при самых лучших обстоятельствах даст значимый перевес в пользу ВИЭ в энергобалансе страны, но уже за пределами 2035-2040 гг.

Иван Капитонов, доцент кафедры международной коммерции Высшей школы корпоративного управления (ВШКУ) РАНХиГС, эксперт по ТЭК

Сегодня весь мир обеспечен электроэнергией благодаря сжиганию угля и газа (ископаемое топливо), эксплуатации водного потока и управлению ядерной реакцией. Эти подходы достаточно эффективны, но в будущем нам придётся от них отказаться, обратившись к такому направлению, как альтернативная энергетика.

Во многом эта необходимость обусловлена тем, что ископаемое топливо ограничено. Кроме того традиционные способы добычи электроэнергии являются одним из факторов загрязнения окружающей среды. Поэтому мир нуждается в «здоровой» альтернативе .

Предлагаем свою версию ТОПа нетрадиционных способов получения энергии, которые в будущем могут стать заменой привычным электростанциям.

7 место. Распределённая энергетика

Перед тем как рассматривать альтернативные источники энергетики, разберём одну интересную концепцию, которая в перспективе способна изменить структуру энергетической системы.

Сегодня электроэнергия производится на больших станциях, передаётся на распределительные сети и поступает в наши дома. Распределённый подход подразумевает постепенный отказ от централизованного производства электричества . Добиться этого можно посредством строительства небольших источников энергии в непосредственной близости к потребителю или группе потребителей.

В качестве источников энергии могут использоваться:

микротурбинные электростанции;
газотурбинные электростанции;
паровые котлы;
солнечные батареи;
ветряки;
тепловые насосы и пр.

Такие миниэлектростанции для дома будут подключены к общей сети. Туда будут поступать излишки энергии, а при необходимости электросеть сможет компенсировать недостаток питания, например, когда солнечные панели работают хуже из-за облачной погоды.

Однако реализация этой концепции сегодня и в ближайшем будущем маловероятна, если говорить о глобальных масштабах. Связанно это в первую очередь с большой дороговизной перехода от централизованной энергетики к распределённой.

6 место. Грозовая энергетика

Зачем генерировать электричество, когда его можно просто «ловить» из воздуха? В среднем один разряд молнии – это 5 млрд Дж энергии, что эквивалентно сжиганию 145 л бензина. Теоретически грозовые электростанции позволят снизить стоимость электроэнергии в разы.

Выглядеть всё будет так: станции размещаются в регионах с повышенной грозовой активностью, «собирают» разряды и накапливают энергию. После этого энергия подаётся в сеть. Ловить молнии можно с помощью гигантских громоотводов, но остается главная проблема – за доли секунды накопить как можно больше энергии молнии. На современном этапе не обойтись без суперконденсаторов и преобразователей напряжения, но в будущем возможно появление более деликатного подхода.

Если говорить об электричестве «из воздуха», нельзя ни вспомнить о приверженцах образования свободной энергии. Например, Никола Тесла в своё время якобы продемонстрировал устройство для получения электрического тока из эфира для работы автомобиля.

5 место. Сжигание возобновляемого топлива

Вместо угля на электростанциях можно сжигать так называемое «биотопливо ». Таковым является переработанное растительное и животное сырьё, продукты жизнедеятельности организмов и некоторые промышленные отходы органического происхождения. В качестве примера можно привести обычные дрова, щепу и биодизель, который встречается на заправках.

В энергетической сфере чаще всего применяется древесная щепа. Она собирается при лесозаготовке или на деревообрабатывающем производстве. После измельчения она прессуется в топливные гранулы и в таком виде отправляется на ТЭС.

К 2019 году в Бельгии должно завершиться строительство крупнейшей электростанции, которая будет работать на биотопливе. Согласно прогнозам, она должна будет производить 215 МВт электроэнергии. Этого хватит на 450 000 домов.

Интересный факт! Многие страны практикуют выращивание так называемого «энергетического леса» – деревья и кустарники, наилучшим образом подходящие для энергетических нужд.

Будет ли альтернативная энергетика развиваться в направлении биотоплива пока маловероятно, ведь есть более перспективные решения.

4 место. Приливные и волновые электростанции

Традиционные гидроэлектростанции работают по следующему принципу:

Напор воды поступает на турбины.
Турбины начинают вращаться.
Вращение передаётся на генераторы, которые вырабатывают электроэнергию.

Строительство ГЭС обходится дороже ТЭС и возможно только в местах с большими запасами энергии воды. Но самая главная проблема – это нанесение вреда экосистемам из-за необходимости строительства плотин.

Приливные электростанции работают по схожему принципу, но используют для выработки энергии силу приливов и отливов .

«Водные» виды альтернативной энергетики включают такое интересное направление, как волновая энергетика. Её суть сводится к генерации электричества посредством использования энергии волн океана, которая гораздо выше приливной. Самой мощной волновой электростанцией на сегодня является Pelamis P-750 , которая вырабатывает 2,25 МВт электрической энергии.

Раскачиваясь на волнах, эти огромные конвекторы («змеи») изгибаются, вследствие чего внутри приходят в движение гидравлические поршни. Они прокачивают масло через гидравлические двигатели, которые в свою очередь вращают электрогенераторы. Полученное электричество доставляется на берег через кабель, который проложен по дну. В перспективе количество конвекторов будет многократно увеличено и станция сможет вырабатывать до 21 МВт.

3 место. Геотермальные станции

Альтернативная энергетика неплохо развита и в геотермальном направлении. Геотермальные станции вырабатывают электричество, фактически преобразуя энергию земли, а точнее - тепловую энергию подземных источников.

Существует несколько типов таких электростанций, но во всех случаях они основываются на одинаковом принципе работы : пар из подземного источника поднимается по скважине и вращает турбину, подключенную к электрогенератору. Сегодня распространена практика, когда в подземный резервуар на большую глубину закачивается вода, там она под воздействием высоких температур испаряется и в виде пара под давлением поступает на турбины.

Лучше всего для целей геотермальной энергетики подходят районы с большим количеством гейзеров и открытых термальных источников, которые разогреваются вследствие вулканической активности.

Так, в Калифорнии работает целый геотермальный комплекс под названием «Гейзеры ». Он объединяет 22 станции, вырабатывающие 955 МВт. Источник энергии в данном случае – очаг магмы диаметром 13 км на глубине 6,4 км.

2 место. Ветряные электростанции

Энергия ветра – один из самых популярных и перспективных источников для получения электричества.

Принцип работы ветрогенератора прост:

под воздействием силы ветра вращаются лопасти;
вращение передаётся на генератор;
генератор вырабатывает переменный ток;
полученная энергия обычно накапливается в аккумуляторах.

Мощность ветрогенератора зависит от размаха лопастей и его высоты. Поэтому их устанавливают на открытых территориях, полях, возвышенностях и в прибрежной зоне. Эффективнее всего работают установки с 3 лопастями и вертикальной осью вращения.

Интересный факт! На самом деле энергия ветра является разновидностью солнечной энергии. Объясняется это тем, что ветры возникают из-за неравномерного прогрева солнечными лучами земной атмосферы и поверхности.

Чтобы сделать ветряк, не нужны глубокие познания в инженерии. Так, многие умельцы смогли себе позволить отключиться от общей электросети и перейти на альтернативную энергетику.

Vestas V-164 – самый мощный ветрогенератор на сегодня. Он вырабатывает 8 МВт.

Для производства электричества в промышленных масштабах используются ветровые электростанции, состоящие из множества ветряков. Крупнейшей является электростанция «Альта », расположенная в Калифорнии. Её мощность – 1550 МВт.

1 место. Солнечные электростанции (СЭС)

Наибольшие перспективы имеет солнечная энергетика. Технология преобразования солнечного излучения с помощью фотоэлементов развивается из года в год, становясь всё эффективнее.

В России солнечная энергетика развита относительно слабо. Однако некоторые регионы показывают отличные результаты в этой отрасли. Взять хотя бы Крым, где функционирует несколько мощных солнечных электростанций.

В будущем возможно может развиваться космическая энергетика . В этом случае СЭС будут строиться не на поверхности земли, а на орбите нашей планеты. Самое главное преимущество такого подхода – фотоэлектрические панели смогут получать гораздо больше солнечного света, т.к. этому не будет препятствовать атмосфера, погода и времена года.

Заключение

Альтернативная энергетика имеет несколько перспективных направлений. Её постепенное развитие рано или поздно приведёт к замещению традиционных способов получения электричества. И совершенно необязательно, что во всём мире будет использоваться только одна из перечисленных технологий. Подробнее об этом смотрите в ролике ниже.

Для решения проблемы ограниченности ископаемых видов топлива исследователи во всем мире работают над созданием и внедрением в эксплуатацию альтернативных источников энергии. И речь идет не только о всем известных ветряках и солнечных батареях. На смену газу и нефти может прийти энергия от водорослей, вулканов и человеческих шагов. Recycle выбрал десять самых интересных и экологически чистых энерго-источников будущего.

Джоули из турникетов

Тысячи людей каждый день проходят через турникеты при входе на железнодорожные станции. Сразу в нескольких исследовательских центрах мира появилась идея использовать поток людей в качестве инновационного генератора энергии. Японская компания East Japan Railway Company решила оснастить каждый турникет на железнодорожных станциях генераторами. Установка работает на вокзале в токийском районе Сибуя: в пол под турникетами встроены пьезоэлементы, которые производят электричество от давления и вибрации, которую они получают, когда люди наступают на них.

Другая технология «энерго-турникетов» уже используется в Китае и в Нидерландах. В этих странах инженеры решили использовать не эффект нажатия на пьезоэлементы, а эффект толкания ручек турникета или дверей-турникетов. Концепция голландской компании Boon Edam предполагает замену стандартных дверец при входе в торговые центры (которые обычно работают по системе фотоэлемента и сами начинают крутиться) на двери, которые посетитель должен толкать и таким образом производить электроэнергию.

В голландском центре Natuurcafe La Port такие двери-генераторы уже появились. Каждая из них производит около 4600 киловатт-час энергии в год, что на первый взгляд может показаться незначительным, но служит неплохим примером альтернативной технологии по выработке электричества.

Водоросли отапливают дома

Водоросли стали рассматриваться в качестве альтернативного источника энергии относительно недавно, но технология, по мнению экспертов, очень перспективна. Достаточно сказать, что с 1 гектара площади водной поверхности, занятой водорослями, в год можно получать 150 тысяч кубометров биогаза. Это приблизительно равно объёму газа, который выдает небольшая скважина, и достаточно для жизнедеятельности небольшого поселка.

Зеленые водоросли просты в содержании, быстро растут и представлены множеством видов, использующих энергию солнечного света для осуществления фотосинтеза. Всю биомассу, будь то сахара или жиры, можно превратить в биотопливо, чаще всего в биоэтанол и биодизельное топливо. Водоросли — идеальное эко-топливо, потому что растут в водной среде и не требуют земельных ресурсов, обладают высокой продуктивностью и не наносят ущерба окружающей среде.

По оценкам экономистов, к 2018 году глобальный оборот от переработки биомассы морских микроводорослей может составить около 100 млрд долларов. Уже существуют реализованные проекты на «водорослевом» топливе — например, 15-квартирный дом в немецком Гамбурге. Фасады дома покрыты 129 аквариумами с водорослями, служащими единственным источником энергии для отопления и кондиционирования здания, получившего название Bio Intelligent Quotient (BIQ) House.

«Лежачие полицейские» освещают улицы

Концепцию выработки электроэнергии при помощи так называемых «лежачих полицейских» начали реализовывать сначала в Великобритании, затем в Бахрейне, а скоро технология дойдет и до России. Все началось с того, что британский изобретатель Питер Хьюс создал «Генерирующую дорожную рампу» (Electro-Kinetic Road Ramp) для автомобильных дорог. Рампа представляет собой две металлические пластины, немного поднимающиеся над дорогой. Под пластинами заложен электрический генератор, который вырабатывает ток всякий раз, когда автомобиль проезжает через рампу.

В зависимости от веса машины рампа может вырабатывать от 5 до 50 киловатт в течение времени, пока автомобиль проезжает рампу. Такие рампы в качестве аккумуляторов способны питать электричеством светофоры и подсвечиваемые дорожные знаки. В Великобритании технология работает уже в нескольких городах. Способ начал распространяться и на другие страны — например, на маленький Бахрейн.

Самое удивительное, что нечто подобное можно будет увидеть и в России. Студент из Тюмени Альберт Бранд предложил такое же решение по уличному освещению на форуме «ВУЗПромЭкспо». По подсчетам разработчика, в день по «лежачим полицейским» в его городе проезжает от 1000 до 1500 машин. За один «наезд» автомобиля по оборудованному электрогенеретором «лежачему полицейскому» будет вырабатываться около 20 ватт электроэнергии, не наносящей вред окружающей среде.

Больше, чем просто футбол

Разработанный группой выпускников Гарварда, основателей компании Uncharted Play, мяч Soccket может за полчаса игры в футбол сгенерировать электроэнергию, которой будет достаточно, чтобы несколько часов подпитывать LED-лампу. Soccket называют экологически чистой альтернативой небезопасным источникам энергии, которые нередко используются жителями малоразвитых стран.

Принцип аккумулирования энергии мячом Soccket довольно прост: кинетическая энергия, образуемая от удара по мячу, передается крошечному механизму, похожему на маятник, который приводит в движение генератор. Генератор производит электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторе. Сохраненная энергия может быть использована для питания любого небольшого электроприбора — например, настольной лампы со светодиодом.

Выходная мощность Soccket составляет шесть ватт. Генерирующий энергию мяч уже завоевал признание мирового сообщества: получил множество наград, был высоко оценен организацией Clinton Global Initiative, а также получил хвалебные отзывы на известной конференции TED.

Скрытая энергия вулканов

Одна из главных разработок в освоении вулканической энергии принадлежит американским исследователям из компаний-инициаторов AltaRock Energy и Davenport Newberry Holdings. «Испытуемым» стал спящий вулкан в штате Орегон. Соленая вода закачивается глубоко в горные породы, температура которых благодаря распаду имеющихся в коре планеты радиоактивных элементов и самой горячей мантии Земли очень высока. При нагреве вода превращается в пар, который подается в турбину, вырабатывающую электроэнергию.

На данный момент существуют лишь две небольшие действующие электростанции подобного типа - во Франции и в Германии. Если американская технология заработает, то, по оценке Геологической службы США, геотермальная энергия потенциально способна обеспечить 50% необходимого стране электричества (сегодня ее вклад составляет лишь 0,3%).

Другой способ использования вулканов для получения энергии предложили в 2009 году исландские исследователи. Рядом с вулканическими недрами они обнаружили подземный резервуар воды с аномально высокой температурой. Супер-горячая вода находится где-то на границе между жидкостью и газом и существует только при определенных температуре и давлении.

Ученые могли генерировать нечто подобное в лаборатории, но оказалось, что такая вода встречается и в природе — в недрах земли. Считается, что из воды «критической температуры» можно извлечь в десять раз больше энергии, чем из воды, доведенной до кипения классическим образом.

Энергия из тепла человека

Принцип термоэлектрических генераторов , работающих на разнице температур, известен давно. Но лишь несколько лет назад технологии стали позволять использовать в качестве источника энергии тепло человеческого тела. Группа исследователей из Корейского ведущего научно-технического института (KAIST) разработала генератор, встроенный в гибкую стеклянную пластинку.

Т акой гаджет позволит фитнес-браслетам подзаряжаться от тепла человеческой руки — например, в процессе бега, когда тело сильно нагревается и контрастирует с температурой окружающей среды. Корейский генератор размером 10 на 10 сантиметров может производить около 40 милливат энергии при температуре кожи в 31 градус Цельсия.

Похожую технологию взяла за основу молодая Энн Макосински, придумавшая фонарик, заряжающийся от разницы температур воздуха и человеческого тела. Эффект объясняется использованием четырех элементов Пельтье: их особенностью является способность вырабатывать электричество при нагреве с одной стороны и охлаждении с другой стороны.

В итоге фонарик Энн производит довольно яркий свет, но не требует батарей-акуумуляторов. Для его работы необходима лишь температурная разница всего в пять градусов между степенью нагрева ладони человека и температурой в комнате.

Шаги по «умной» тротуарной плитке

На любую точку одной из оживленных улиц приходится до 50000 шагов в день. Идея использовать пешеходный поток для полезного преобразования шагов в энергию была реализована в продукте, разработанном Лоуренсом Кемболл-Куком, директором британской Pavegen Systems Ltd. Инженер создал тротуарную плитку, генерирующую электроэнергию из кинетической энергии гуляющих пешеходов.

Устройство в инновационной плитке сделано из гибкого водонепроницаемого материала, который при нажатии прогибается примерно на пять миллиметров. Это, в свою очередь, создаёт энергию, которую механизм преобразует в электричество. Накопленные ватты либо сохраняются в литиевом полимерном аккумуляторе, либо сразу идут на освещение автобусных остановок, витрин магазинов и вывесок.

Сама плитка Pavegen считается абсолютно экологически чистой: ее корпус изготовлен из нержавеющей стали специального сорта и переработанного полимера с низким содержанием углерода. Верхняя поверхность изготовлена из использованных шин, благодаря этому плитка обладает прочностью и высокой устойчивостью к истиранию.

Во время проведения летней Олимпиады в Лондоне в 2012 году плитку установили на многих туристических улицах. За две недели удалось получить 20 миллионов джоулей энергии. Этого с избытком хватило для работы уличного освещения британской столицы.

Велосипед, заряжающий смартфоны

Чтобы подзарядить плеер, телефон или планшет, необязательно иметь под рукой розетку. Иногда достаточно лишь покрутить педали. Так, американская компания Cycle Atom выпустила в свет устройство, позволяющее заряжать внешний аккумулятор во время езды на велосипеде и впоследствии подзаряжать мобильные устройства.

Продукт, названный Siva Cycle Atom, представляет собой легкий велосипедный генератор с литиевым аккумулятором, предназначенным для питания практически любых мобильных устройств, имеющих порт USB. Такой мини-генератор может быть установлен на большинстве обычных велосипедных рам в течение считанных минут. Сам аккумулятор легко снимается для последующей подзарядки гаджетов. Пользователь занимается спортом и крутит педали — а спустя пару часов его смартфон уже заряжен на 100 поцентов.

Компания Nokia в свою очередь тоже представила широкой публике гаджет, присоединяемый к велосипеду и позволяющий переводить кручение педалей в способ получегия экологически безопасной энергии. Комплект Nokia Bicycle Charger Kit имеет динамо-машину, небольшой электрический генератор, который использует энергию от вращения колес велосипеда и подзаряжает ей телефон через стандартный двухмиллиметровый разъем, распространенный в большинстве телефонов Nokia.

Польза от сточных вод

Любой крупный город ежедневно сбрасывает в открытые водоемы гигантское количество сточных вод , загрязняющих экосистему. Казалось бы, отравленная нечистотами вода уже никому не может пригодиться, но это не так — ученые открыли способ создавать на ее основе топливные элементы.

Одним из пионеров идеи стал профессор Университета штата Пенсильвания Брюс Логан. Общая концепция весьма сложная для понмания неспециалиста и построена на двух столпах — применении бактериальных топливных ячеек и установке так называемого обратного электродиализа. Бактерии окисляют органическое вещество в сточных водах и производят в данном процессе электроны, создавая электрический ток.

Для производства электричества может использоваться почти любой тип органического отходного материала - не только сточные воды, но и отходы животноводства, а также побочные продукты производств в виноделии, пивоварении и молочной промышленности. Что касается обратного электродиализа, то здесь работают электрогенераторы, разделенные мембранами на ячейки и извлекающие энергию из разницы в солености двух смешивающихся потоков жидкости.

«Бумажная» энергия

Японский производитель электроники Sony разработал и представил на Токийской выставке экологически чистых продуктов био-генератор, способный производить электроэнергию из мелко нарезанной бумаги. Суть процесса заключается в следующем: для выделения целлюлозы (это длинная цепь сахара глюкозы, которая находится в зеленых растениях) необходим гофрированный картон.

Цепь разрывается с помощью ферментов, а образовавшаяся от этого глюкоза подвергается обработке другой группой ферментов, с помощью которых высвобождаются ионы водорода и свободные электроны. Электроны направляются через внешнюю цепь для выработки электроэнергии. Предполагается, что подобная установка в ходе переработки одного листа бумаги размером 210 на 297 мм может выработать около 18 Вт в час (примерно столько же энергии вырабатывают 6 батареек AA).

Метод является экологически чистым: важным достоинством такой «батарейки» является отсутствие металлов и вредных химических соединений. Хотя на данный момент технология еще далека от коммерциализации: электричества вырабатывается достаточно мало - его хватает лишь на питание небольших портативных гаджетов.

За последние годы альтернативная энергетика стала предметом пристального интереса и ожесточенных дискуссий. Под угрозой изменения климата и того факта, что средние мировые температуры продолжают расти с каждым годом, стремление найти формы энергии, которые позволят сократить зависимость от ископаемого топлива, угля и других загрязняющих окружающую среду процессов, естественным образом выросло.

В то время как большинство концепций не новы, только за последние несколько десятилетий этот вопрос стал, наконец, актуальным. Благодаря усовершенствованию технологий и производства, стоимость большинства форм альтернативной энергии понижалась, в то время как эффективность росла. Что же такое альтернативная энергетика, если говорить простыми и понятными словами, и какова вероятность того, что она станет основной?

Очевидно, остаются некоторые споры касательно того, что означает «альтернативная энергия» и к чему эту фразу можно применить. С одной стороны, этот термин можно отнести к формам энергии, которые не приводят к увеличению углеродного следа человечества. Поэтому он может включать ядерные объекты, гидроэлектростанции и даже природный газ и «чистый уголь».

С другой стороны, этот термин также используется для обозначения того, что в настоящее время считается нетрадиционными методами энергетики - энергии солнца, ветра, геотермальной энергии, биомассы и других недавних дополнений. Такого рода классификация исключает такие методы добычи энергии, как гидроэлектростанции, которые существуют больше сотни лет и представляют собой довольно распространенное явление в некоторых регионах мира.

Другой фактор в том, что альтернативные источники энергии должны быть «чистыми», не производить вредных загрязняющих веществ. Как уже отмечалось, это подразумевает чаще всего двуокись углерода, однако может относиться и к другим выбросам - моноксиду углерода, двуокиси серы, окиси азота и другим. По этим параметрам ядерная энергия не считается альтернативным источником энергии, поскольку производит радиоактивные отходы, которые высоко токсичны и должны храниться соответствующим образом.

Во всех случаях, однако, этот термин используется для обозначения видов энергии, которые придут на смену ископаемому топливу и углю в качестве преобладающей формы производства энергии в ближайшее десятилетие.

Виды альтернативных источников энергии
Строго говоря, существует много видов альтернативной энергии. Опять же, здесь определения заходят в тупик, потому что в прошлом «альтернативной энергетикой» называли методы, использование которых не считали основным или разумным. Но если взять определение в широком смысле, в него войдут некоторые или все эти пункты:

Гидроэлектроэнергия. Это энергия, вырабатываемая гидроэлектрическими плотинами, когда падающая и текущая вода (в реках, каналах, водопадах) проходит через устройство, вращающее турбины и вырабатывающее электричество.

Ядерная энергия. Энергия, которая производится в процессе реакций замедленного деления. Урановые стержни или другие радиоактивные элементы нагревают воду, превращая ее в пар, а пар крутит турбины, вырабатывая электричество.

Энергия, которая получается напрямую от Солнца; (обычно состоящие из кремниевой подложки, выстроенные в крупные массивы) преобразуют лучи солнца напрямую в электрическую энергию. В некоторых случаях и тепло, производимое солнечным светом, используется для производства электричества, это известно как солнечная тепловая энергия.

Энергия ветра. Энергия, вырабатываемая потоком воздуха; гигантские ветряные турбины вертятся под действием ветра и вырабатывают электричество.

Геотермальная энергия. Эту энергию вырабатывает тепло и пар, производимые геологической активностью в земной коре. В большинстве случаев в грунт над геологически активными зонами помещаются трубы, пропускающие пар через турбины, таким образом вырабатывая электричество.

Энергия приливов. Приливное течение у береговых линий тоже может использоваться для выработки электричества. Ежедневное изменение приливов и отливов заставляет воду протекать через турбины назад и вперед. Вырабатывается электроэнергия, которая передается на береговые электростанции.

Биомасса. Это относится к топливу, которое получают из растений и биологических источников - этанола, глюкозы, водорослей, грибов, бактерий. Они могли бы заменить бензин в качестве источника топлива.

Водород. Энергия, получаемая из процессов, включающих газообразный водород. Сюда входят каталитические преобразователи, при которых молекулы воды разбиваются на части и воссоединяются в процессе электролиза; водородные топливные элементы, в которых газ используется для питания двигателя внутреннего сгорания или для вращения турбины с подогревом; или ядерный синтез, при котором атомы водорода сливаются в контролируемых условиях, высвобождая невероятное количество энергии.

Альтернативные и возобновляемые источники энергии
Во многих случаях альтернативные источники энергии также являются возобновляемыми. Тем не менее эти термины не полностью взаимозаменяемы, поскольку многие формы альтернативных источников энергии полагаются на ограниченный ресурс. К примеру, ядерная энергетика опирается на уран или другие тяжелые элементы, которые необходимо сперва добыть.

В то же время ветер, солнечная, приливная, геотермальная и гидроэлектроэнергия полагаются на источники, которые полностью возобновляемые. Лучи солнца - самый изобильный источник энергии из всех и, хоть и ограниченный погодой и временем суток, является неисчерпаемым с промышленной точки зрения. Ветер тоже никуда не девается, благодаря изменениям давления в нашей атмосфере и вращению Земли.

Развитие
В настоящее время альтернативная энергетика все еще переживает свою юность. Но эта картина быстро меняется под влиянием процессов политического давления, всемирных экологических катастроф (засух, голода, наводнений) и улучшений в технологиях возобновляемых энергий.

Например, по состоянию на 2015 год, энергетические потребности мира по-прежнему преимущественно обеспечивались углем (41,3%) и природным газом (21,7%). Гидроэлектростанции и атомная энергетика составили 16,3% и 10,6% соответственно, в то время как «возобновляемые источники энергии» (энергии солнца, ветра, биомассы и пр.) - всего 5,7%.

Это сильно изменилось с 2013 года, когда мировое потребление нефти, угля и природного газа составило 31,1%, 28,9% и 21,4% соответственно. Ядерная и гидроэлектроэнергия составляли 4,8% и 2,45%, а возобновляемые источники - всего 1,2%.

Кроме того, наблюдалось увеличение числа международных соглашений относительно обуздания использования ископаемого топлива и развития альтернативных источников энергии. Например, Директиву о возобновляемой энергии, подписанную Евросоюзом в 2009 году, которая установила цели по использованию возобновляемой энергии для всех стран-участниц к 2020 году.

По своей сути, из этого соглашения следует, что ЕС будет удовлетворять не менее 20% общего объема своих потребностей в энергии возобновляемой энергией к 2020 году и по меньшей мере 10% транспортного топлива. В ноябре 2016 года Европейская комиссия пересмотрела эти цели и установила уже 27% минимального потребления возобновляемой энергии к 2030 году.

Некоторые страны стали лидерами в области развития альтернативной энергетики. Например, в Дании энергия ветра обеспечивает до 140% потребностей страны в электроэнергии; излишки поставляются в соседние страны, Германию и Швецию.

Исландия, благодаря своему расположению в Северной Атлантике и ее активным вулканам, достигла 100% зависимости от возобновляемых источников энергии уже в 2012 году за счет сочетания гидроэнергетики и геотермальной энергии. В 2016 году Германия приняла политику поэтапного отказа от зависимости от нефти и ядерной энергетики.

Долгосрочные перспективы альтернативной энергетики являются чрезвычайно позитивными. Согласно отчету 2014 году Международного энергетического агентства (МЭА), на фотовольтаическую солнечную энергию и солнечную тепловую энергию будет приходиться 27% мирового спроса к 2050 году, что сделает ее крупнейшим источником энергии. Возможно, благодаря достижениям в области синтеза, ископаемые источники топлива будут безнадежно устаревшими уже к 2050 году.

Причин тому две: экологическая (специалисты стремятся сделать сферу энергетику как можно более «эко-friendly», потому что она и в самом деле – одна из самых убийственных для окружающей среды) и экономическая ( , уголь стоят дорого, а вот солнечный свет и ветер пока еще бесплатны). Итак, какие же страны больше других преуспели в альтернативной энергетике?
1

Суммарная установленная мощность ветрогенераторов в Китае на 2014 год составила 114763 МВт (по данным Европейской ассоциации ветроэнергетики и GWEC). Что же заставило правительство так активно развивать ветроэнергетику? Ситуация здесь не ахти: по выбросам в атмосферу СО2. Да и после аварии на японской Фукусиме стало ясно, что пора развивать альтернативные источники энергетики. Планируется использовать в первую очередь геотермальную, ветряную, солнечную энергию. Согласно государственному плану, к 2020 г. в 7 районах страны будут построены огромные ветряные ЭС с общей выработкой в 120 гигаватт.

Здесь активно развивают альтернативную энергетику. Например, суммарная мощность американских ветрогенераторов США в 2014 г. составила 65879 МВт. Является мировым лидером по развитию геотермальной энергетики – направлению, использующему для получения энергии разницу температур между ядром Земли и ее корой. Один из методов использования горячих геотермальных ресурсов – УГС (усовершенствованные геотермальные системы), в которые вкладывает средства Министерство энергетики США. Их поддерживают также научные центры и венчурные компании (в частности, Google), но пока УГС остаются коммерчески неконкурентоспосбными, есть над чем работать.

Ветроэнергетика Германии – это одна из лидирующих альтернативных энергетик в мире (законное 3 место!). До 2008 г. Германия занимала первое место по суммарной мощности ветряных электростанций. 2014-й для страны закончился показателем суммарной мощности ветрогенераторов 39165 МВт. К слову, активное развитие этой сферы началось после… Чернобыльской трагедии: именно тогда правительство приняло решение о поиске альтернативных источников получения электроэнергии. И вот результат: в 2014 г. 8,6% произведенной в Германии электроэнергии пришлись на долю ветряных электростанций.

Здесь все вполне объяснимо: собственных запасов углеводородов у страны нет, приходится придумывать альтернативные способы добывания энергии. Японцы развивают и внедряют самые разные технологии в этой сфере: от копеечных до чрезвычайно дорогостоящих, масштабных и технологичных. Здесь строят микрогидроэлектростанции, гидротермальные станции, а вот с ветряными пока не складывается – дорого, шумно и малоэффективно.

В этой стране прекрасно развиты ветряная и биоэнергетика (ветряные генераторы Дании в 2014 г. произвели 4845 МВт энергии, доля электроэнергии выработанной ветрогенераторами составила 39% от общего производства). Стоит ли удивляться, ведь в Дании так мало собственных природных ресурсов, что приходится искать альтернативные способы обойтись своими силами…

Еще одна скандинавская страна, которая ратует за экологичность и заботу об окружающей среде: в норвежском парламенте рассматривается план формирования особого Фонда, средства которого будут расходоваться на развитие разнообразных альтернативных программ. Одна из них – программа перехода населения на электромобили.

Казалось бы – уж иранцам-то чего переживать? Нефти у них масса, и они вообще не заинтересованы в развитии альтернативной энергетики (кто будет покупать нефть, если появятся новые источники энергии?). И все же с 2012 г. здесь действуют программы по инвестированию солнечных и ветряных электростанций.

Ее конек — солнечная энергетика: многие сельские районы страны уже оценили преимущества солнечной энергетики. Теперь целью правительства является электрификация каждого дома в стране, в основном за счет солнечных панелей, что обеспечит электричеством более 400 млн жителей.

Эта крошечная страна в Гималаях имеет все шансы стать первой на 100% органической нацией в мире. Правительство всерьез озадачилось проблемой вреда автомобильных выхлопов для атмосферы, и для начала объявило о еженедельном «пешеходном дне». Затем правительство страны вступило в партнерство с компанией Nissan и запустило процесс сокращения импорта ископаемого топлива и одновременно – создания первых государственных электромобильных парков, а также развития сети автозарядочных станций. Все это способствует росту популярностей электромобилей у бутанцев – а почему бы и нет, если для этого созданы все условия!

Вот это новость! Оказывается, несмотря на негативные явления в экономике, страна продолжает развивать программу по строительству крупной солнечной электростанции. Завидное упорство, невзирая на трудности!
Что ж, прекрасная тенденция! И экономике приятно, и окружающей среде!