Основные виды нетрадиционных источников энергии

Что такое нетрадиционные источники энергии

Перспективной задачей в энергетическом комплексе 21 века является использование и внедрение возобновляемых источников энергии. Это позволит снизить нагрузку на экологическую систему планеты. Применение традиционных источников негативно влияет на экологию и приводит к исчерпанию земных недр. К ним относятся:

1. Невозобновляемые:

• уголь;
• природный газ;
• нефть;
• уран.

2. Возобновляемые:

• древесина;
• гидроэнергетика.

Структура и обоснованная необходимость в их применении

К нетрадиционным источникам энергии относят:

• солнечную;
• ветровую;
• геотермальную;
• энергию морей, рек, приливов;
• биоэнергетику;
• энергию атмосферного электричества и грозовую энергетику.

Увеличение населения Земли требует больших энергетических затрат. Запас полезных ископаемых, представляющих традиционные источники, не безграничен. Поэтому ведется активный поиск путей решения энергетической проблемы. Переход на использование чистых, природных источников является важной вехой в развитии человечества.

Основные причины, побуждающие к переходу на АЭИ:

1. Глобально-экологическая. Применение традиционных энергодобывающих технологий ведет мир к глобальной экологической катастрофе. Одно из таких последствий – изменение климата, которое длится уже несколько лет.
2. Политическая. Страна, освоившая АЭИ первой, сможет диктовать цены на топливные ресурсы.
3. Экономическая. Переход на нетрадиционные энергетические технологии даст возможность перераспределить топливные ресурсы для развития промышленности. Стоимость альтернативной энергии значительно ниже, чем электроэнергии, получаемой из традиционных источников.
4. Социальная. С ростом численности населения становится сложным найти место для строительства АЭС и ГРЭС, которое было бы безопасным для окружающих. Исследования показали, что у населения, проживающего неподалёку от таких станций, подтвержден больший процент онкологических и других тяжелых заболеваний.
5. Эволюционно-историческая. Объем топливных ресурсов ограничен, биосфера и атмосфера страдают от их использования. Эти факторы тормозят процесс эволюции человечества. Переход на альтернативные источники энергии будет толчком к новому этапу развития.

Виды нетрадиционных источников энергии, преимущество и недостатки

Преимущества ВИЭ:

• неисчерпаемость ресурсов;
• уменьшение негативного воздействия на окружающую природу и здоровье людей.

Недостатки ВИЭ:

• небольшая плотность энергетического потока;
• скачкообразность объемов выработки энергии;
• высокая стоимость оборудования энергодобывающих установок.

Солнечная энергия

Гелиоустановки используют энергию Солнца для потребностей теплоснабжения и для производства электричества. Способов преобразования солнечного излучения существует множество. Оптимальным и наиболее распространенным считают метод, основанный на использовании фотоэлектрических преобразователей. Такие фотоэлементы объединяют в солнечные батареи. 

В 80 странах мира ведется активное строительство солнечных электростанций. Крупная фотоэлектрическая установка расположена в Канаде, в провинции Онтарио (Sarnia PV рlant). Площадь электростанции – 385 гектаров. Она способна снабжать электроэнергией свыше 12 000 домохозяйств.

В 100 км от Рима находится самая крупная электростанция в Италии – Montalto di Castro. Она оснащена аэрационной системой, которая защищает модули установки от возникновения коррозии под влиянием соленого морского воздуха.

В России насчитывается свыше 40 солнечных электростанций, которые расположены преимущественно в Крыму, Оренбургской и Астраханской областях, Республике Башкортостан, Республике Алтай.

Преимущества солнечной энергии:

• возобновляемый источник;
• бесшумная работа;
• экологически чистое преобразование солнечного излучения в другие виды энергии.

Недостатки:

• высокая стоимость оборудования для гелиоустановок;
• привязанность интенсивности излучения Солнца к сезонам и времени суток;
• строительство солнечных электростанций занимает большие территории;
• использование токсичных соединений при создании фотоэлектрических элементов, что приводит к проблеме их утилизации.

Ветровая энергия

Начало использования энергии ветра восходит к появлению ветряных мельниц, которые были принесены крестоносцами в Европу в 13 веке. 

Принцип действия ветрогенератора прост. Сила ветра заставляет двигаться ветряное колесо, вращение которого передается ротору электрогенератора. 

Ветроэнергетические установки распространены в США, Китае, Индии.

Мировой лидер по установленной мощности ветрогенератов на душу населения  Дания обеспечивает 47% спроса на электроэнергию за счет них. К 2030 году власти планируют полностью отказаться от использования полезных ископаемых для производства электроэнергии. 

Крупнейший в мире морской ветропарк Walney Extension расположен в Великобритании и насчитывает 87 ветряных турбин. Они способны обеспечить электроэнергией около 600 000 домохозяйств. 

Среди наземных ветропарков следует выделить расположенные в США Fowler Ridge (штат Индиана) и Penascal (штат Техас). 

В России расположено 16 действующих ветровых электростанций (Крым, Ульяновская, Оренбургская и Калининградская области, Республика Калмыкия).

Преимущества ветряных электростанций:

• неисчерпаемость энергии;
• не наносит вред экологии.

Недостатки:

• отдельный ветрогенератор обладает слабой мощностью;
• переменчивость силы ветра;
• шум, производимый ветрогенераторами, нарушает перелеты птиц и насекомых;
• поблизости от таких станций возникают помехи в радиоволнах и работе военных.

Для того, чтобы не нарушать природный баланс, в США перед строительством ветряных парков проводят исследования путей миграции птиц. В дальнейшем производится установка радаров, которые улавливают приближение стай и временно отключают ветрогенераторы. 

Геотермальная энергия

Большие объемы тепловой энергии хранятся в глубине Земли, что объясняется высоким температурным показателем земного ядра. В качестве источников геотермальной энергии используют вулканические области, горячие источники воды или пара. 

Геотермальные электростанции преобразовывают энергию горячих подземных вод в электричество. 

Значимой ГеоЭС называют бинарную электростанцию в Новой Зеландии (вблизи Таупо, остров Северный). Она способна обеспечивать дома электричеством, отоплением и горячим водоснабжением. Страна – мировой лидер по производству геотермальной энергии. Её доля в энергетике Новой Зеландии составляет 14%.

Крупнейшей в мире одиночной ГеоЭс являеется электростанция в Кении Оликария 4, мощностью 140 мегаватт.

Мощный геотермальный комплекс расположен в США. Он состоит из 22 геотермальных электростанций, суммарная мощность которых составляет 1517 МВт.

На территории России расположены 4 ГеоЭС. Первая из них была создана во времена СССР на Камчатке.

Преимущества геотермальной энергетики:

• неисчерпаемость источников;
• сезонная и суточная независимость.

Среди минусов выделяют:

• минерализация и, изредка, токсичность термальных вод, что вызывает необходимость после переработки закачивать воды обратно в подземные недра;
• вероятность возникновения землетрясений при вмешательстве в слои Земли.

Энергия приливов и волн

Мировой океан создает энергию разнообразных видов: 

• энергия биомассы;
• приливов и отливов;
• энергия океанических течений;
• тепловая.

По мнениям исследователей, к 2050 году энергией, вырабатываемой из Мирового океана можно будет заменить энергетические мощности 250 ядерных реакторов. 

В Японии (префектура Кагошима) создали установку, генерирующую электроэнергию из океанических течений.

Цель Шотландии состоит в переходе  к 2030 году  на энергию альтернативных источников. Шотландские приливы самые мощные в Европе, что позволило запустить строительство самой крупной в мире приливной электростанции. За её счет 175 000 домохозяйств будут обеспечены электричеством. 

Лидером по разработке технологий развития приливной энергетики выступает Великобритания. 

Единственная приливная электростанция в России расположена в губе Кислая Баренцева моря, возле поселка Ура-Губа Мурманской области.

Плюсы использования энергии приливов:

• экологичность;
• низкая себестоимость добычи энергии.

Недостатки:

• высокая стоимость строительства установок;
• зависимость мощности от времени суток.

Биоэнергетика

Данный альтернативный источник относится к вторичным, его вырабатывают из биотоплива. Промышленные и сельскохозяйственные предприятия всё чаще получают необходимую им электроэнергию путём выделения её из органического мусора. 

К альтернативному биотопливу относят:

• отходы сельского хозяйства и деревообработки (твердое);
• биодизель, биомазут, метанол, этанол, бутанол (жидкое);
• водород, метан, биогаз (газообразное).

Преимущества использования биотоплива:

• утилизация органического мусора;
• снижение уровня загрязнения окружающей среды;
• изготовляется из возобновляемых ресурсов;
• снижение выброса парниковых газов в атмосферу;
• культуры, выращиваемые для биотоплива, поглощают оксид углерода;
• лёгкое в транспортировке;
• отличается высокой энергоплотностью.

К недостаткам относят:

• территориальное ограничение (для выращивания биотопливных культур подходит местность с определенными климатическими условиями);
• представляет угрозу продовольственной безопасности (земли могли бы использоваться для выращивания сельскохозяйственных культур);
• разрушение малых экосистем вследствие применения пестицидов для удобрения.

Энергия малых рек

К альтернативным источникам гидроэнергетики относят малые гидроэлектростанции. Такие установки обладают мощностью 5-10 МВТ. 

Малая гидроэнергетика – наиболее освоенный вид возобновляемых нетрадиционных источников энергии. Мировым лидером в этой сфере выступает Китай. Малые ГЭС широко используются в ряде других стран: Германии, Австрии, Испании, Канаде, Японии, Украине, Беларуси, Бразилии, России (Алтайский край). 

Преимущества развития малой гидроэнергетики:

• строительство в короткие сроки;
• низкая степень воздействия на окружающую среду;
• постоянный источник энергии;
• надежность электроснабжения;
• близость к потребителю.

Недостатки:

• малые источники могут промерзать, останавливая работу системы;
• высокие затраты на строительство;
• необходимость строительства плотины, что не всегда может быть одобрено природным законодательством.

Атмосферное электричество и грозовая энергетика

Процессы испарения, образования облаков, переноса тепла и влаги, происходящие в нижних атмосферных слоях, сопровождаются явлениями электризации. Вследствие этих факторов, в атмосфере образуется энергетический ресурс. 

Исследования в отрасли атмосферного электричества начали проводить с 1850-1860-х годов. Свой вклад внёс и Никола Тесла, который предложил способ преобразования высокого постоянного атмосферного напряжения в низкое переменное. 

Новые исследования бразильских ученых дали возможность найти способ преобразования электрических зарядов в атмосфере в электрический ток. 

Преимущества атмосферных электростанций:

• экологически чистая энергия;
• независимость от времени года или суток;
• оборудование станций расположено в воздухе, что экономит земные территории.

Недостатки:

• невозможность создавать запасы, кроме как, преобразовывая в другие соединения (водород);
• существует вероятность нарушения глобального электрического контура;
• высокое напряжение представляет опасность для персонала;
• расположение оборудования на высоте может представлять опасность для авиации.

Грозовая энергетика находится на стадии освоения. Для удержания и использования энергии молнии требуются мощные и дорогостоящие системы. Специалистами NASA проведены исследования и разработана карта, показывающая все точки мира с наиболее частыми ударами молнии. В дальнейшем эти теоретические разработки помогут опредделить наиболее перспективную территорию для получения грозовой энергии.