Альтернативные источники энергии и перспективы их использования

Введение
Интенсивное потребление энергетических ресурсов планеты человеческой цивилизацией началось в 19 веке. Это связано с тем, что именно в этот период общество добилось значительных успехов в области науки и технологий, что привело к началу промышленной революции.
Тогда был изобретен паровой двигатель, люди открыли электричество, а чуть позже смогли создать двигатели, работающие на жидком топливе. Благодаря всем этим технологиям скорость развития цивилизации увеличилась в несколько раз.
Люди получили новые перспективы и возможности. Они стали создавать для себя более комфортные условия жизни и внедрять новые эффективные механизмы, которые требовали огромного потребления угля, нефти и газа. Время показало, что эти энергетические ресурсы планеты быстро расходуются.
Уже в середине двадцатого века перед народами мира остро встал вопрос, каким образом сохранить темпы развития, сократив при этом добычу ископаемых источников энергии. Ответом на него стало появление, альтернативной энергетики.
Широкое применение нетрадиционной энергетики находят не во всех странах по сравнению с традиционными методами, однако представляют интерес с точки зрения неограниченного ресурса энергии.
Цель данной работы – охарактеризовать альтернативные источники энергии и перспективы их использования.
Задачи работы:
- описать понятие альтернативных источников энергии;
- рассмотреть виды альтернативных источников энергетики;
- проанализировать проблемы и перспективы развития альтернативной энергетики.
1. Понятие альтернативных источников энергииАльтернативные источник энергии - совокупность нетрадиционных возобновляемых форм получения электроэнергии. Это условное понятие, включающее в себя экологически безопасные источники: энергия солнца, ветра, воды и биомассы.
Поскольку запасы традиционных источников получения электроэнергии, таких как уголь, газ, нефть, иссекаемы, то значит, человечеству пришлось задуматься об изобретении альтернативной энергии для получения электричества.
Само понятие альтернативная энергетика представляет специальные методики получения энергии. Эта технология использует возобновляемые и экологически чистые ресурсы. Процесс их преобразования дает возможность человечеству получать тепловую и электрическую и ядерную энергию. В дальнейшем полученное электричество и тепло используется в разных областях человеческой деятельности. При этом значительно сокращается потребление традиционных энергетических ресурсов.
Основные причины, побуждающие к переходу на АЭИ:
- Глобально-экологическая. Применение традиционных энергодобывающих технологий ведет мир к глобальной экологической катастрофе. Одно из таких последствий – изменение климата, которое длится уже несколько лет.
- Политическая. Страна, освоившая АЭИ первой, сможет диктовать цены на топливные ресурсы.
- 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.
- 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.
- 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.
Основными преимуществами использования альтернативных источников энергии является их:
- Возобновляемость;
- Надежность;
- Положительное влияние на экологию, по сравнению с ТЭС.
Недостатками таких станций является:
- Зависимость от времени года и размещения. В определенный промежуток времени число вырабатываемой электроэнергии в разы больше, чем в другое время.
- Локальность. Этот параметр указывает на зависимость электростанции от географической широты.
- Нестабильная работа. Это главный минус, как в альтернативных источниках электроэнергии, так и традиционных. В большинстве случаев АИЭ зависят от погодных условий, на которые человек никак не может оказать влияние.
Таким образом, альтернативные источники энергии – это вещества и процессы, которые существуют в природной среде и дают возможность получать необходимую энергию.
2. Виды альтернативных источников энергииВ зависимости от типа ресурса, альтернативные источники электрической энергии в мире классифицируются на несколько видов, которые определяют ее способы получения и типы конструкций.
Таблица. Основная классификация альтернативных источников энергии
Вид альтернативного источника энергии Способ применения
Энергия солнечного излучения Фотоэлектрическая панель (ФЭП)
Солнечный коллектор
Солнечная электростанция (СЭС)
Энергия ветра Ветроэнергетическая установка (ВЭУ)
Ветряная электростанция (ВЭС)
Гидроэнергия Гидроэлектростанция (ГЭС)
Энергия приливов и отливов Приливная электростанция (ПЭС)
Энергия волн океанов и морей Волновая электростанция (ВЭС)
Геотермальная энергия Геотермальная станция (ГеоТЭС)
Энергия биомассы (биоэнергия) Переработка твердых, жидких и газообразных видов биотоплива термохимическими, физико-химическими, либо биохимическими методами
Все указанные выше альтернативные источники энергии при переработке не наносят вред окружающей среде (они безотходны). Кроме того, такие ресурсы, легко возобновляются как сейчас, так и в будущем.
Солнечная энергетика основана на преобразовании энергии солнца, в результате которого получается электрическая и тепловая энергии.Получение электрической энергии основано на физических процессах, происходящих в полупроводниках под воздействием солнечных лучей, получение тепловой – на свойствах жидкостей и газов.
Солнечная электроэнергия возникает при помощи двух типов установок.
- Гелиоконцентраторы. Это главный компонент системы, который выполняет преобразование солнечной энергии в электричество. Отрицательной стороной этой конструкции является сложность установки.
- Фотоэлементы. Этот тип используют чаще, поскольку он имеет маленькую стоимость, простую установку и легкость обслуживания. Такой элемент занимает лидирующие позиции на рынке, однако имеет КПД менее 20%.
Солнечная энергия более продуктивно используется в таких странах, как Египет и Саудовская Аравия, в других странах полученной электроэнергии не хватает для полноценного перехода на СЭС.
Преимущества солнечной энергии:
- возобновляемый источник;
- бесшумная работа;
- экологически чистое преобразование солнечного излучения в другие виды энергии.
Ветровая энергетика основана на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в электрическую энергию, используемую потребителями.
Главным элементом ветровых электростанций является ветрогенератор.
Ветрогенераторы разделяются по: техническим характеристикам; размерам; установкой с вертикальной либо горизонтальной осью вращения; числом ветровых лопастей, а также территорией их размещения.
Ветровая энергетика является самым перспективным и развитым альтернативным источником энергии. Эти электростанции можно размещать, как на берегу, так и в море.
Мировой лидер по установленной мощности ветрогенератов на душу населения  Дания, которая 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). 
Преимущества ветряных электростанций:
- неисчерпаемость энергии;
- не наносит вред экологии.
Гидроэнергетика основана на преобразовании кинетической энергии водных масс в электрическую энергию, которая также используемую человеком в своих целях.
К гидроэнергетическим объектам относятся станции, обладающие разными техническими характеристиками и мощностью. Большинство таких систем располагаются в руслах рек, на озерах и даже ставках. Система работает следующим образом течение, которое имеет естественные причины или появляется с помощью установки запруд и платин, вращает лопасти турбин и преобразуя кинетическую энергию в электричество или тепло. Именно турбина играет главную роль в работе любой гидростанции и в том числе она обеспечивает водоснабжение.
В последние годы была разработана еще одна технология, использующая воду в качестве альтернативного источника энергии. Работа этой системы основана на энергии прибоя и волн. Сейчас в прибрежных странах подобные установки не редкость. Как и речные гидростанции, они имеют турбину, однако у нее есть своя особенность. Такой механизм может вращаться как в одну, так и в другую стороны и при этом заряжает генераторы.
Плюсы использования энергии приливов:
- экологичность;
- низкая себестоимость добычи энергии.
Геотермальная энергетика, основана на преобразовании тепла, излучаемого поверхностью земли, как в местах выброса геотермальных вод (сейсмически опасные территории), так и в иных регионах нашей планеты.
Для использования геотермальных вод используются специальные установки, посредством которых внутреннее тепло земли преобразуется в тепловую и электрическую энергии. Использования теплового насоса позволяет получать тепло из поверхности земли, вне зависимости от места его расположения. Его работа основана на свойствах жидкостей и газов, а также законах термодинамики.
Этот метод получения является долгосрочным, поскольку он применяет почти неиссякаемый ресурс.
Главный плюс этого метода получения энергии - независимость от времени года. Однако имеются и минусы – необходимость бурения скважин глубиной в 1 км.
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.
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.
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.
Грозовая энергетика – это пока лишь теоретическое направление. Молния – это сложный электрический процесс.
Для того, чтобы «поймать» и удержать энергию молнии, нужно использовать мощные и дорогостоящие конденсаторы, а также разнообразные колебательные системы.
Пока еще грозовая энергетика неоконченный и не совсем сформированный проект, хотя и достаточно перспективный. Его привлекательность состоит в возможности постоянно восстанавливать ресурсы.
3. Проблемы и перспективы развития альтернативной энергетикиВопрос экономической целесообразности применения возобновляемых видов электроснабжения, уже не первый год волнует специалистов. Основная проблема, она все еще достаточно дорога (особенно это касается солнечной энергетики или геотермальных станциях), при этом эффективность ее по сравнению с традиционными способами производства электричества низка. Однако методики постоянно развиваются, оборудование и системы для возобновляемой энергетики становятся лучше и дешевле. При этом тарифы обычных сетей постоянно растут, в том числе и из-за повышения цены газа, нефти и угля.
Поэтому все больше стран склоняются к этой методике получения тепла и света. Частные домовладения, также стараются переходить на использование возобновляемых методик. Сейчас это становится все более выгодно благодаря новым законам, внедряемым правительствами разных стран.
Но возобновляемые источниками энергии (ВИЭ) принесли с собой новые проблемы - удорожание энерготарифов, сложность утилизации ветряных лопастей и солнечных батарей, децентрализация электроснабжения.
Экологический след возобновляемой энергетики до сих не вполне ясен. Для производства биотоплива вырубаются бореальные леса (леса высоких широт, 70% бореальных лесов находится в России) в Европе и других частях света, что только усиливает выбросы углерода.
От ветроустановок нагревается окружающая атмосфера, что может привести к дополнительным выбросам СО2, что снижает выгоду от их использования. 
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.
Соблюдение принципов устойчивого развития становится важнейшим условием для инвестиций в мире, интерес к проектам с большим углеродным следом сокращается. Лидирующие энергетические компании меняют стратегии, трансформируя бизнес в пользу безуглеродной энергетики.
Ключевые экономики мира ставят амбициозные цели по доле выработки возобновляемой энергетики от 20 до 50%, меняя структуру инвестиций. В США в 2030 году доля выработки ВИЭ составит 50%, в Индии – 44%, в Китае и странах Евросоюза – 35%. В то же время в России сейчас доля ВИЭ в энергосистеме составляет около 0,2%, и, если не будет принято никаких решений по поддержке ВИЭ, она останется на уровне 1%. 
Трансформация мировой энергосистемы за последнее десятилетие была беспрецедентной в плане перехода на новые источники энергии. Этот успех может быть потерян, поскольку пандемия COVID-19 продолжает наносить экономический и социальный урон. Помимо неопределенности ее долгосрочных последствий, пандемия COVID-19 также является причиной:
- падения почти на треть мирового спроса на энергию;
- беспрецедентных колебаний цен на нефть и вытекающих из этого геополитических последствий;
- задержки или приостановки инвестиций и проектов;
- неопределенности в отношении перспектив трудоустройства миллионов работников энергетического сектора.
В современной России, на данный момент, альтернативные источники энергии развиваются быстрее, чем в прошлые годы, но все же эти конструкции не являются самыми распространенными. На сегодняшний день, в нашей стране, большая часть электричества вырабатывается с помощью ТЭС.
В России насчитывается свыше 40 солнечных электростанций, которые расположены преимущественно в Крыму, Оренбургской и Астраханской областях, Республике Башкортостан, Республике Алтай. Наша страна неплохо применяет водную энергетику для выработки электричества. Также нужно заметить, что электроэнергия, которая вырабатывалась на ГЭС, стоит в 2 раза меньше, чем полученная на ТЭС.
В России расположено 16 действующих ветровых электростанций (Крым, Ульяновская, Оренбургская и Калининградская области, Республика Калмыкия).
В России самая большая ветряная электрическая станция установлена в Ульяновской области. Ее мощность достигает 35 000 000 Вт.
В РФ имеется пять готовых к работе геотермальных станций, три из которых размещены на Камчатке. На данный момент доля вырабатываемой альтернативной энергии составляет более 20% от всей генерации энергетической системы РФ. Единственная приливная электростанция в России расположена в губе Кислая Баренцева моря, возле поселка Ура-Губа Мурманской области.
В нашей стране имеется изготовление твердого биотоплива. В настоящее время его производство выполняется во Владивостоке. РФ добывает электрическую энергию при помощи ядерной энергетики. Это направление начало серьезно развиваться, поэтому стали возводиться новые электростанции и использоваться новые методы получения.
Оценивая перспективы развития альтернативных источников энергии в стране, необходимо отметить, что на обширный ввод в эксплуатацию ветровых, солнечных и других станций потребуется длительное время. Развитие «зеленого» направления будет медленным за счет высокой стоимости экологически чистых технологий, отсутствия у крупных потребителей стимулов к их внедрению.
Заключение
В результате проделанной работы необходимо сформулировать основные выводы.
Альтернативные источники энергии - это экологически чистые возобновляемые ресурсы, при преобразовании которых человек получает электрическую и тепловую энергию, используемую для его нужд. Эти источники включают энергию ветра и солнца, воду из рек и морей, тепло с поверхности земли и биотопливо, полученное из биологической массы животного и растительного происхождения.
Причина поиска альтернативных источников энергии - потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание может браться также экологичность и экономичность.
В нашей стране, как и во многих технически развитых странах мира, использованию альтернативных источников энергии уделяется особое внимание. В разных регионах страны получили развитие разные виды альтернативной энергетики. Это связано с географическим положением и возможностью использования того или иного первичного источника получения энергии.
В то же время, в России развиты далеко не все источники альтернативной энергии. Наличие больших запасов традиционных источников энергии, таких как нефть, уголь, газ предоставляет возможность отложить развитие не только ветроэнергетики, но и альтернативной энергетики в целом.
Применение возобновляемой энергии имеет большие риски из-за того, что источник данной энергии имеет стихийный и непостоянный характер, что в свою очередь в случае отсутствия поддержки со стороны государства, делает альтернативную энергетику убыточной.
Список использованной литературыАблязов, Р. С. Экономические аспекты эффективности применения различных источников энергии на предприятиях / Р. С. Аблязов. - Текст: непосредственный // Молодой ученый. 2015. № 15.1 (95.1). С. 1-3.
Богданкевич, О. В. Лекции по экологии / О.В. Богданкевич. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017.
Волкова П.А. Основы общей экологии: учеб. Пособие / П.А. Волкова. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2019.
Горелов, А.А. Основы экологии: Учебник / А.А. Горелов. - М.: Academia, 2017.
Дегтярев, К.С. К вопросу об экономике возобновляющихся источников энергии / К.С. Дегтярев, А.М. Залиханов, А.А. Соловьев, Д.А. Соловьев // Энергия. Экономика. Техника. Экология. 2016. № 10. С. 10–21.
Дмитренко В.П. Экологические основы природопользования: учебное пособие / В.П. Дмитренко, Е.М. Мессинева, А.Г. Фетисов. СПб.: Лань, 2019.
Котеленко С. В., Рябов А. С. Преимущества и недостатки нетрадиционной энергетики // Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. №12. С. 84-88.
Семенович К. С. Правовое регулирование альтернативной энергетики в России // Восточно-Европейский Научный Журнал. Юридические науки. 2020. № 57(4). С. 45-49.