Могут ли альтернативные источники энергии заменить ископаемое топливо и обеспечить весь мир

Обновлено: 28.06.2024

Интересно само понятие альтернативной энергии. В нашем мировом обществе это просто подразумевает энергию, которую получают из источников, отличных от наших основных источников энергии, то есть ископаемого топлива. Уголь, нефть и природный газ – вот те три вида ископаемого топлива, от которых мы по большей части зависели в наших энергетических потребностях, начиная от домашнего отопления и электричества, до топлива для наших автомобилей и массовых перевозок.

Проблема в том, что ископаемое топливо не возобновляется. Его запасы ограничены и в конечном итоге будут истощены. Нет никакой возможности игнорировать или опровергнуть этот вывод.

Ископаемое топливо сформировалось из растений и животных, которые жили сотни миллионов лет назад и остались захороненными под Земной поверхностью, где их останки преобразовались в горючие материалы, которые мы и используем. Фактически, самое первое известное ископаемое топливо сформировалось еще в Кембрийском Периоде около 500 миллионов лет назад, еще до того как появились первые динозавры. Это именно тот период, когда на Земле впервые возникли главные группы животных. Более поздние типы ископаемого топлива, которые составляют большинство нестандартных топлив, подобных торфу или бурому углю, формироваться начали позже, 5 миллионов лет назад в Плиоценовом Периоде. При нашем уровне потребления эти виды топлива не могут так быстро образовываться, чтоб обеспечить наши будущие потребности в энергии.

Несмотря на обещание источников альтернативной энергии, более подходяще называемой возобновляемой энергией, сегодня все вместе они обеспечивают только 7% всемирных потребностей в ней. Это означает, что ископаемые топлива, наряду с ядерной энергетикой поставляют 93% всемирных ресурсов энергии.

Ядерная энергия, которую прежде всего производят расщепляя атомы, покрывает только 6% от всемирного энергоснабжения. Вероятно, этот источник непривлекателен как главный ресурс из-за возможной опасности, связанной с высвобождением энергии из атома, а так же порождаемым этим давлением общества. Но все же некоторые правительства как, например, США видят его огромный потенциал и делают ставки на дальнейшее использование ядерной энергии.

В сумме потребность энергии в мире составляет около 400 квадриллионов (миллион в 4-й степени) британских тепловых единиц (BTUs от British Thermal Units) в год. Британская тепловая единица грубо равна энергии и теплу выделяемых при горении одной спички. Нефть, уголь и природный газ обеспечивают приблизительно 88% всемирных потребностей в энергии, или около 350 квадриллионов британских тепловых единиц. В этом количестве первенство принадлежит нефти, обеспечивающей около 41% всемирного энергоснабжения, или около 164 квадриллионов британских тепловых единиц. Уголь обеспечивает 24% всемирной энергии, или 96 квадриллионов британских тепловых единиц, и природный газ обеспечивает оставшийся 22%, или 88 квадриллионов британских тепловых единиц.

Проблема еще и в том, что мы уничтожаем экосистемы, разрабатывая месторождения нефти, угля, природного газа и используя их. Конечно, если бы был способ использовать ископаемые топлива без ущерба экологии, все было бы хорошо. Топливная горная промышленность и нефтедобыча причиняют непоправимый вред нашей окружающей среде.

Дилемма ископаемого топлива

Ископаемое топливо предоставляют нам ценную услугу. Не так проблематично то, что мы его используем для получения энергии, как оборотная сторона этого процесса, которая и есть причиной всех проблем. Производной горения ископаемого топлива является углекислота (СО2), парниковый газ номер один, способствующий глобальному потеплению. Обосновано, что сжигание этого топлива является наибольшим фактором, который высвобождает в атмосферу парниковые газы. В ХХ веке средняя температура Земли поднялась на 1 градус по Фаренгейту (1°F). Это был период наибольшего роста населения и индустриального развития в Земной истории.

Воздействие глобального потепления на окружающую среду весьма обширно и захватывает многие области. В Арктике и Антарктиде более высокие температуры становятся причиной таяния ледников, что ведет к увеличению уровня моря и изменю состава окружающей морской воды. Поднимающийся уровень моря будет только препятствовать как поселению людей на побережьях, сельскому хозяйству, ловле рыбы, так и существованию курортной сферы. Загрязнение воздуха – еще один прямой результат использования ископаемого топлива, и приводит к образованию смога и деградации человеческого здоровья, угнетает рост растений.

Но есть также большая угроза существованию естественных экосистем из-за добычи ипотребления ископаемого топлива, особенно угля и нефти. Пролитая нефть активно разоряет экосистемы, а добыча угля обеднила их места обитания.

Компании по добыче и разработке нефти, угля и природного газа знают все эти проблемы. Но до тех пор, пока наши возобновляемые источники энергии не станут достаточно жизнеспособными как главные поставщики энергии, они будут продолжать разработку месторождений ископаемого топлива, чтобы обеспечить наши потребности в энергии. И нам, в свою очередь, придется полагаться на компании, обеспечивающие энергию от возобновляемых источников, когда ископаемые топлива будут истощены. Много нефтекомпаний, например, уже сегодня вовлекаются в развитие более надежных возобновляемых энергетических технологий. Например, Британская Нефтяная Компания, стала одним из всемирных лидирующих поставщиков солнечной энергии и планирует в скором будущем затмить этим альтернативным способом получения энергии собственный бизнес нефтедобычи.

Сырье для энергии будущего

Насколько ограничены наши запасы ископаемого топлива? По некоторым оценкам они будут исчерпаны в ближайшие 50 лет, другие же утверждают, что это произойдет в течении 100-120 лет. Подводя итог: нам нужно избавляться зависимости от ископаемого топлива как источника энергии и у нас нет другого выбора, кроме как вступить в эру новой, альтернативной, возобновляемой энергетики.

Никто в действительности не знает, когда будут извлечены из недр Земли последняя капля нефти, кусок угля или кубометр природного газа. Все это будет зависеть от того, как хорошо мы осознаем реальную потребность в энергии наряду с тем, как хорошо мы сможем развивать и использовать возобновляемые источники энергии.

И здесь есть один очень важный фактор: рост населения. Так как население будет расти вверх по направлению к 9 миллиардам человек за следующие 50 лет, пропорционально возрастут и всемирные потребности в энергии. Не только это будет стимулом развития возобновляемой энергетики - выжить с увеличивающимся ростом населения, но и заменить производство ископаемой топливной энергии, если мы хотим соответствовать будущим потребностям в энергии.

Примерно в 2020 году, потребление мировой энергии возрастет на 50% или дополнительных 207 квадрильонов британских тепловых единиц. Если глобальное потребление возобновляемых источников энергии останется на прежнем уровне, то доступные ископаемые запасы топлива будут потреблены за 104 года или ранее. Очевидно, что возобновляемые ресурсы энергии будут играть все более и более жизненноважную роль в смешанной энергетике ближайшего столетия.

Эра новой энергетики

По существу, эти возобновляемые источники энергии создают свою собственную энергию. Наша цель - захватить и использовать их механическую силу и превратить ее в электричество - наиболее эффективную и производительную возможную форму. Есть более чем достаточно возобновляемых источников энергии, чтобы вечно удовлетворять потребность в ней. Задача - развивать способность эффективно и экономно захватывать, хранить и использовать энергию, когда нам это нужно.

Например, возьмем солнечную энергию. Конечный источник энергии - солнце. Его энергия находится во всех вещах, в том числе ископаемом топливе. Растения зависят от солнца, чтобы создать питательные вещества, животные едят растений, и оба прошли становление как ключевые ингредиенты для ископаемого топлива. Без солнца ничего на этой планете не существовало бы.

Солнце также обеспечивает достаточно энергии, которую можно хранить и использовать еще длительное время после его захода и даже в течение долгих облачных периодов. Но сделать это доступным… намного легче сказать, чем сделать. Это серьезный барьер, чтобы сделать солнечную энергию основным направленим для мирового потребления в скором будущем. Технология уже готова для широкого использования, но это было бы путем, слишком дорогим, чтобы заменить текущую инфраструктуру энергии, использующую ископаемое топливо. Согласно Европейской Фотогальванической Производственной Ассоциации, солнечная энергия могла бы обеспечить энергию для более чем 1 миллиарда людей к 2020 году и 26% мировых потребностей в энергии к 2040 году.

Ветер и гидроэлектроэнергия, которая эффективно использовалась поколения, также быстро наращивает темпы на энергетических рынках. Принцип их работы в том, что сила ветра и водные водотоки проходят через турбины, превращающие их энергию в электричество. В коммерции энергию ветра обычно собирают "ветряные фермы", которые по существу состоят из сотен ветротурбин (мельниц), расположившихся на больших участках земли.

Энергия биомассы, или энергия от горения ратений и другого органического материала, - один из самых ранних известных человеку источников энергии. Дерево было ранее главным источником тепла, и такое его использование все еще наблюдается во многих развивающихся странах. Большинство людей в развитых странах используют древесину только для эстетических целей или вторичного подогорева, ограниченного главным образом каминами.

В заключение можно сказать, что ученые сходятся во мнении: ни один вид получения альтернативной энегрии, при условии использования только его одного, не сможет удовлетворить будущие потребности общества. Решение вопроса будет лежать в комплексе разнообразных энергетических технологий, которые имеют общей признак - они не истощают наши природные ресурсы и не уничтожают нашу окружающую среду.

ЭТО ОГРОМНАЯ ПРОБЛЕМА- Возобновляемые источники, такие как ветер и сила приливов, могут обеспечивать лишь малую долю энергии, необходимой населению Земли. Если не учитывать энергию, получаемую от АЭС, остается только солнечный свет.

Нам необходимы прямые крупномасштабные методы преобразования света в электричество (гелиотехника) и применения солнечного света для создания транспортабельного топлива, такого как водород, метанол, бензин и дизельное топливо. Эти виды топлива будут производиться из природного сырья с помощью солнечного света, например из углекислого газа. Мы можем назвать их солнечным топливом.

Гелиотехника до сих пор по большей части опирается на кристаллический кремний, используемый в фотоэлементах. Но в последнее время стали доступны сенсибилизированные красителем солнечные батареи, позволяющие задействовать более широкий спектральный диапазон, чем традиционный кремний, а также органические солнечные элементы в виде сравнительно дешевых гибких полимерных пленок. В следующем десятилетии прямое преобразование солнечного света в электричество должно становиться всё эффективнее и дешевле, а соответствующие устройства—долговечнее.

Как только удастся повысить эффективность гелиотехники и решить проблему аккумулирования энергии, уже через несколько десятилетий мы станем получать большую часть нашей энергии из подобных солнечных устройств. Чтобы добиться этого, нужно переосмыслить способы производства и эксплуатации электричества. С обычных гигантских электростанций мы перейдем на большое количество местных генераторов размером поменьше и станем больше пускать в дело солнечное топливо вместо обычных динамо-машин.

Эффективное производство солнечного топлива— это величайший вызов, но в ближайшие два-три десятилетия такие технологии будут становиться всё более жизнеспособными.

МОЖЕМ ЛИ МЫ ЗАПАСАТЬ СОЛНЕЧНУЮ ЭНЕРГИЮ?

Поскольку гелиотехника создает электричество только тогда, когда светит солнце, энергию нужно либо использовать сразу, либо запасать. Небольшие батареи могут накапливать электроэнергию — всем знакомы старомодные, но эффективные свинцовые аккумуляторы, установленные в наших машинах, а также литий-ионные батареи в гаджетах. Технология их создания всё время совершенствуется, так что мы вполне можем ждать десятикратного улучшения их работы в ближайшие 10 лет. Батареи вполне могли бы служить для хранения энергии, произведенной солнечными преобразователями — небольшими, но достаточными для обеспечения энергией целого дома.

Однако в более крупных масштабах это все-таки непрактично, придется задействовать огромное количество дефицитных материалов. Некоторые из необходимых химических элементов уже стали редкими или даже находятся на грани исчерпания. Особенно драгоценные металлы, используемые в катализаторах, редкоземельные элементы, которые нужны для генераторов в ветряных турбинах, литий, необходимый для батарей. Между тем любая новая технология должна основываться на элементах, существующих в изобилии.

Самым удобным способом хранения большого количества энергии было бы превращение ее в химическое топливо, которое легко транспортировать и использовать для производства энергии там, где нужно: в домах, машинах, самолетах и электростанциях. Мы могли бы сжигать его или использовать в топливных элементах, как и сейчас.

Какое топливо можно было бы приспособить? Водород—самое простое решение, хотя и не без сложностей с хранением. Но использовать водород как газ в крупных масштабах нереально, да и потенциально опасно, и очень у/ непросто приводить его в жидкое состояние (чтобы получить топливо для транспортных ‘ средств). Тут помогли бы новые твердые материалы с открытыми структурами, обратимо впитывающие большие количества водорода. Сравнительно просто получить водород, при- У меняя для разделения воды на составляющие элементы электричество, генерируемое фотоэлементами.

Миру необходимы высокоэнергетические жидкие виды топлива, сходные с привычной для нас нефтью. То есть оно должно быть на основе углерода (работающий исключительно на электричестве или водороде самолет не очень реалистичен). Так откуда возьмется углерод? Самым желанным — и самым сложным в исполнении — было бы либо связывание С02 из атмосферы, либо извлечение его по мере сгорания ископаемого топлива и превращение в топливо, годное к употреблению. Мы знаем, что такое возможно, ведь так живут зеленые растения. Но необходимые для этого технологии очень сложны.

На первом шаге производится восстановление диоксида углерода (углекислого газа) в монооксид. Для этого требуются особые катализаторы, причем, казалось бы, только ультрафиолет может дать достаточно энергии для обеспечения этого процесса. Солнечный свет содержит лишь небольшое количество ультрафиолета, положиться на него было бы неудачным решением. Однако химики работают над катализаторами, использующими основной компонент солнечного света в видимой части спектра. Другие подходы основаны на использовании солнечного света и кое-каких химических процессов для превращения углекислого газа в муравьиную кислоту, метанол и метан в присутствии водорода или воды. Таким образом можно было бы производить не только жидкое топливо, но и пластмассу, удобрения и лекарственные препараты.

Осуществимость всего этого уже была продемонстрирована; теперь проблема в том, чтобы сделать эти процессы дешевыми, устойчивыми и легко масштабируемыми. Во имя планеты мы обязаны добиться успеха.

Конец эры ископаемого топлива предрекают давно — и человечество активно готовится к переходу на новые источники энергии. Как протекает подготовка и откуда мы будем черпать электроэнергию в будущем, рассказывает Виктор Удинцев — PhD, начальник отдела инженерной поддержки проектирования портов для диагностик Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР).

HBR — Россия: Сколько энергии сегодня производится и потребляется в мире?

Удинцев: Если вы посмотрите на общую динамику потребления и выработки электроэнергии в мире, то увидите, что показатели растут из года в год. В 1990 году все электростанции мира вырабатывали в общей сложности около 12 терраватт-часов энергии, в 2000-м — примерно 15,5 ТВт·ч, в 2010-м — 21,5 ТВт·ч, в 2013-м — 23,5 ТВт·ч, в 2016-м — 24,5 ТВт·ч. Лидером по объему производства электроэнергии уже давно стал Китай, вслед за ним идут США, Индия и Россия.

Запросы человечества постоянно растут, и энергии нужно все больше. Это вызвано, во-первых, увеличением количества населения, во-вторых, развитием промышленности. Даже в быту мы потребляем все больше энергии. Если, скажем, в 50-е годы прошлого века в квартирах были только лампочки, радиоприемники и кое-где телевизоры, то сегодня почти в каждой семье есть микроволновая печь, стиральная машина, холодильник, несколько телевизоров, компьютеров и т. д. Даже чтобы все это произвести, нужно больше энергии.

Понятно, что основные источники энергии сейчас — ископаемые: уголь, газ, нефть. А какая доля приходится на альтернативные источники?

Больше всего приходится на гидроэнергетику — 17% от общего производства, дальше идут ядерная энергетика — примерно 10% и так называемые возобновляемые источники — около 7%. Возобновляемые источники — это солнце, ветер: то, что не ведет к исчерпанию полезных ископаемых.

Остальное приходится на ископаемые топлива, в основном мы зависим от них. Но их запасы ограничены: разработали месторождение — и надо искать новое. Уже давно ясно, что ископаемых источников энергии навечно не хватит. Чтобы отвечать растущим запросам человечества, надо увеличивать долю других источников.

Причина только в том, что нефть и газ в какой-то момент закончатся?

Неизбежное истощение ископаемых источников энергии — это полбеды. Есть еще экологический фактор. Сжигая уголь, газ, нефть, мы выбрасываем в атмосферу углекислый газ, и возникает всем известный парниковый эффект. Существуют разные мнения относительно значимости антропогенного влияния на изменения климата, но факт остается фактом: климат меняется, и наша задача — этому противодействовать.

Насколько, по прогнозам, нам хватит природных ресурсов?

Можем ли мы уменьшить количество потребляемой энергии?

Могут ли возобновляемые источники заменить ископаемые?

Все зависит от масштаба. Ветряные станции или солнечные батареи могут эффективно обслуживать небольшой городок, деревню или ферму. В большом масштабе, например в индустриальных городах, вряд ли удастся обойтись только возобновляемыми источниками.

Какие источники энергии могли бы стать реальной заменой ископаемым?

Ядерные (атомные) и термоядерные. Понятно, что основная проблема атомных станций — обеспечение безопасности: все помнят о Чернобыле и Фукусиме. Но если соблюдать все нормы безопасности, это достаточно надежный источник энергии. Во Франции, например, сегодня больше 70% электроэнергии вырабатывается на атомных электростанциях. Однако самый перспективный источник, на мой взгляд, — станции, использующие энергию управляемого термоядерного синтеза.

Сколько бы ни говорили о безопасности атомных станций, они представляют собой реальную угрозу. Чем термоядерные станции будут отличаться от ядерных в этом плане?

Поскольку термоядерный синтез основан на слиянии легких ядер, после него не будет радиоактивных остатков. И самое главное: в отличие от атомных электростанций, на термоядерных невозможна самопроизвольная цепочка распада ядерного вещества. Как только останавливают плазму, ядерная реакция прекращается. Это гораздо более безопасный источник энергии.

С другой стороны, конечно, это тоже ядерная установка, поэтому надо принимать меры радиационной защиты. Определенное количество радиоактивных отходов к концу жизни термоядерного реактора все равно будет оставаться. Но такие материалы легко утилизировать, поскольку это не продукты распада урана, в них не вырабатывается плутоний — это просто облученные компоненты. При грамотном подходе единственное, что может случиться на термоядерной станции, — она остановится. Никаких последствий вроде Чернобыля или Фукусимы не будет.

Контролируемый термоядерный синтез — пока дело будущего. Насколько в таком случае реально создание термоядерной электростанции?

Эксперименты в этой области начались еще в середине ХХ века. Сейчас физика термоядерного синтеза относительно понятна — это те же процессы, что происходят на Солнце, на звездах. Уже существует целая цепочка экспериментальных машин: токамаки, стеллараторы, магнитные ловушки — на них изучают физические процессы, протекающие в плазме. Сегодня в Великобритании работает крупнейший токамак JET — установка, в которой создаются условия, необходимые для демонстрации управляемого термоядерного синтеза.

В двух словах: что такое токамак и чем ИТЭР отличается от существующих токамаков?

Исследования в области термоядерного синтеза начались в середине прошлого века. Почему они идут так долго?

В прошлом веке, как я уже сказал, не было такой зависимости от энергопотребления. Было достаточно много газа и нефти. Термоядерный синтез рассматривался как перспективный источник — и работа над ним имела в основном научный, а не прикладной характер.

Когда мы говорим о термоядерной станции как о серьезном индустриальном проекте, возникает масса вопросов, связанных с безопасностью, с долговечностью материалов, с интерфейсами, то есть с системами, которые должны работать вместе — а это непросто, когда звездные температуры соседствуют с криогенными, то есть очень высокие (сотни миллионов градусов) с очень низкими (близкими к абсолютному нулю). Такое количество технологических нюансов одной стране решить не по силам — нужно было взяться за них всем миром. Для этого и создали ИТЭР.

Вы сказали, что в Великобритании уже действует самый большой токамак. Для чего в таком случае нужен ИТЭР?

Британский токамак меньше, чем ИТЭР. Он был построен в конце 1980-х, чтобы показать, что термоядерные реакции в принципе возможны, что можно получить определенный выход мощности от реактора. Это, в целом, научная демонстрационная машина. ИТЭР — это машина, которая продемонстрирует миру возможность термоядерного синтеза и покажет: на одну единицу вложенной энергии на выходе можно получить 10 единиц.

Какие страны вкладываются в ИТЭР и в чем заключается их вклад?

Страны ЕС, США, Россия, Корейская республика, Китай, Индия, Япония. ЕС вкладывает в проект большую часть средств — 45%, а 55% делятся поровну между остальными участниками проекта. Речь идет не только о денежных вливаниях. Страны предоставляют высококвалифицированных специалистов — как в области физики плазм, так и в области ядерной безопасности, а также технологии и компоненты для будущей установки. Стоимость проекта сейчас составляет десятки миллиардов евро.

Кто участвует в проекте с российской стороны?

Около 20 российских компаний и исследовательских центров: Курчатовский институт, Институт прикладной физики РАН, Физико-технический институт РАН, Институт ядерной физики Сибирского отделения РАН, Росатом, Чепецкий механический завод, Криогенмаш и т. д.

ИТЭР — это исключительно демонстрационная машина, он не будет функционировать как электростанция?

Нет. Он не предназначен для производства электроэнергии и поставки ее в сеть. Но на базе ИТЭР и его наработок будет создано следующее поколение реакторов, уже индустриальных. Научная программа ИТЭР рассчитана минимум на 20 лет. После этого его остановят, разберут, радиоактивные расходы утилизируют.

Как будут выглядеть термоядерные станции, когда они все-таки появятся?

Если описывать их одним словом, они будут большими. Если говорить серьезно, то в них будет реакторная часть, где будет зажигаться плазма, и инфраструктура здания. Все остальное будет более или менее похоже на уже существующие станции: вода будет нагреваться от тепла, вырабатываемого нейтронами внутри плазмы, циркулировать, вращать турбину и таким образом создавать энергию.

Можно ли уже сейчас рассчитать стоимость термоядерной энергии?

Она зависит от многих факторов, в частности от места расположения электростанции. Если станцию построят, допустим, в Китае (на мой взгляд, именно там термоядерная энергетика будет востребована в первую очередь), то себестоимость термоядерной энергии будет в разы меньше, чем энергии, производимой на тепловых или атомных станциях.

Другой немаловажный фактор — доступ к топливу для поддержания термоядерной реакции: к дейтерию, тритию, гелию-3. Чем легче его доставать, тем дешевле будет энергия. Но в целом, я думаю, термоядерная энергетика будет достаточно дешевой. Главное — она сможет решить энергетическую проблему.

Вы говорите: поскольку США обладает большими запасами ископаемых источников энергии, они не очень заинтересованы в развитии других направлений энергетики. Но ведь в России запасов не меньше.

Конечно. Но Россия более разумно подходит к этому вопросу. Она вкладывается в развитие ядерной энергетики и строит атомные станции не только у себя, но и в других странах. Также в России сейчас начинают строить ветряные станции.

Можете ли вы обрисовать перспективы энергетики будущего — как перераспределится соотношение разных источников энергии?

Есть ли вероятность, что появятся новые источники энергии?

С точки зрения физики гипотетически такая возможность есть — но в очень отдаленном будущем. Лет через 1000, когда человечество выйдет в космос, вероятно, можно будет построить станции, которые будут работать вблизи Солнца. Пока в это с трудом верится, но, согласитесь, если бы в ХIX веке кому-нибудь показали телевизор, он бы тоже не поверил.

Если говорить об автомобилях, которые, я думаю, никуда не исчезнут, какое топливо представляется вам наиболее перспективным?

Я бы сделал ставку на электромобили. Уже сейчас есть модели с аккумуляторами большой мощности, которые можно довольно быстро зарядить и которые по скорости мало чем отличаются от дизельных или бензиновых. Это экологически чистый вид транспорта, и в ближайшее время спрос на него будет расти. Определенную долю рынка, скорее всего, займут автомобили с водородным двигателем — сейчас он активно разрабатывается.

Как вы оцениваете идею Илона Маска сбрасывать на полюсы Марса термоядерные бомбы?

Лучше задать этот вопрос самому Илону. Но, на мой взгляд, это неоднозначный проект — если вообще выполнимый. Трудно сказать, позволит ли он добиться желаемого парникового эффекта и разогреть планету. Кроме того, нужно понимать, что бомбардировка термоядерными снарядами приведет к заражению поверхности Марса радиоактивными изотопами. То есть на части планеты будет более высокий уровень радиации. Конечно, это повлияет на возможность ее освоения. Да и расчетов, убедительно подтверждающих правильность идеи по восстановлению атмосферы таким образом, я пока не видел.

Главное в этой истории для меня то, что частные лица начинают проявлять интерес к термоядерной энергетике. Это очень хороший знак.

Какие направления энергетики можно считать самыми перспективными для вложений со стороны бизнеса и частных лиц?

В разных странах по-разному. США, как я уже сказал, больше зависят от ископаемых источников энергии. Инерционность мышления и относительная дешевизна ископаемого топлива не заставляют их идти семимильными шагами в сторону возобновляемых источников энергии. Так что там выгоднее вкладываться в традиционную энергетику.

В России и особенно в Китае ядерная и термоядерная энергетика со временем будут основными направлениями. Конечно, определенную нишу займут и возобновляемые источники. Там, где можно, поставят ветряки и солнечные панели. Но в промышленном масштабе вкладываться имеет смысл именно в термоядерную энергетику. Как только ИТЭР продемонстрирует возможность промышленного производства энергии на термоядерной станции, это станет очень выгодным направлением для инвестиций.

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

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

Что такое альтернативная энергия?

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

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

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

Ресурсы возобновляемой энергии

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

Альтернативные виды энергии

1. Солнечная энергия

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

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

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

2. Ветроэнергетика

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

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

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

3. Гидроэнергия

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

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

4. Волновая энергетика

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

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

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

5. Энергия приливов и отливов

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

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

6. Энергия температурного градиента (гидротермальная энергия)

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

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

7. Энергия жидкостной диффузии

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

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

8. Геотермальная энергия

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

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

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

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

9. Биотопливо

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

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

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

Третье поколение – биотопливо из водорослей.

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

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

Плюсы и минусы альтернативной энергии

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

Преимущества:

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

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

Экономия – полученная энергия имеет низкую себестоимость.

Недостатки и проблемы:

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

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

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

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

Возобновляемая энергия в мире

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

Германия

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

Исландия

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

Швеция

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

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

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

Китай

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

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

Альтернативная энергия в России

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

Виды возобновляемой энергии в России

Солнечная энергия

Ветровая энергетика

Гидроэнергетика

Геотермальная энергетика

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

Биотопливо

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

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

Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии

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

First Solar Inc.

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

Vestas Wind Systems A/S

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

Atlantica Yield PLC

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

ABB Ltd. Asea Brown Boveri

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

Читайте также: