Альтернативные источники энергии

Введение
Актуальность проблемы.
Энергия – кровь экономики. По объемам используемой энергии можно достаточно адекватно оценить экономическую мощь и технический уровень государства. Недаром существует термин «опережающее развитие энергетики», означающий, что ни одно промышленное предприятие, город и даже дом нельзя построить до того, как будет установлен или создан заново источник энергии, которую они станут потреблять.
На сегодняшний день основу мировой энергетики составляют тепло-электростанции. Каждый год в мире потребляется такое количество нефти, какое образуется в природных условиях за 2 млн. лет. Гигантские темпы потребления невозобновляемых энергоресурсов по относительно небольшой цене, которая не отражает реальные совокупные затраты общества, по существу означают жизнь взаймы у будущих поколений, которым энергия уже не будет доступна по такой низкой цене.
Поэтому неудивительно, что прозвучавшее в начале нового тысячелетия заявление ученых о резком уменьшении запасов топливных ресурсов произвело эффект разорвавшейся бомбы. И проблема использования альтернативных источников энергии, о которой говорили уже давно, встала во весь рост.
Но дело не только в том, что к 2100 году подавляющее большинство традиционных источников топлива могут быть исчерпаны. Последствия нерационального, хищнического потребления нефти, угля и газа подвели планету к черте, за которой – глобальная экологическая и социально-экономическая катастрофа: сжигание углеводородного топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу, ухудшая сферу обитания человека; аварии на крупных ТЭС создают угрозу для жизни и здоровья миллионов людей; борьба за обладание ресурсами постоянно грозит миру призраком очередной войны; непрерывная эскалация цен на топливо невыгодна для большинства стран и ставит государства «третьего мира» на грань выживания.
При этом природа щедро предоставила в распоряжение человечества неисчерпаемые источники энергии. И хотя в мире в целом уже наметился существенный прогресс в использовании таких источников, однако во многих странах (в частности, в России) на сегодняшний день их применение имеет ограниченный характер, а освоение ведется недостаточными темпами. Поэтому требуются значительные усилия по пропаганде альтернативной энергетики, объективной оценке ее преимуществ и рисков и развенчанию как сложившихся мифов и предрассудков, так и неуместных восторгов.
В своей работе мы поставили цель: изучить существующие альтернативные источники энергии, выявить их достоинства и недостатки, оценить перспективы развития альтернативных энергетик в мире.
Основные альтернативные источники энергии
Мировое потребление энергии неуклонно растет. Несмотря на внедрение в традиционных производствах энергосберегающих и энергоэффективных технологий, рост населения планеты и появление новых видов производств приводит к увеличению общего энергопотребления. Чтобы обеспечить растущие глобальные запросы, энергетике нужны качественные изменения. Основными направлениями альтернативной энергетики являются поиск и использование нетрадиционных источников энергии, возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений, представляющих интерес в связи с их экономической выгодностью при низком риске причинения вреда окружающей среде.
Основные альтернативные источники энергии и направления альтернативной энергетики.
Энергия Солнца – Гелиоэнергетика.
Энергия ветра - Ветроэнергетика
Геотермальная энергия Земли - Геотермальная энергетика
Энергия Мирового океана и рек - Альтернативная  гидроэнергетика
. Энергия приливов и отливов - Приливные электростанции
. Энергия волн и морских течений - Волновые электростанции
4.3. Энергия малых рек - Бесплотинная энергетика (мини- и микро-ГЭС )
Энергия водорода – водородная энергетика
БиотопливоЭнергия гроз – грозовая энергетика
В своей работе мы подробно рассмотрим три наиболее перспективных на сегодняшний день источника альтернативной энергии: солнечную, ветровую и геотермальную энергии.
Энергия Солнца
Для того чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои потребности в энергоресурсах, требуется порядка 10 миллиардов тонн условного топлива в год. В то же время объём энергии, который Солнце ежегодно «дарит» Земле, в 15 000 раз больше мирового годового потребления атомной энергии и энергии ископаемых источников. Это значит, что в перспективе есть возможность заменить весь потенциал ископаемых ресурсов ресурсами солнечной энергии.
Вопреки распространенному мнению о широком использовании энергии солнца как о деле отдаленного будущего гелиоэнергетика становится серьезной альтернативой традиционной энергетике в наши дни. Уже сейчас объем энергии, вырабатываемый солнечными электростанциями, демонстрирует экспоненциальный рост. Если в 2010 года в мире было всего 34 крупных проекта в сфере солнечной энергетики, то сегодня их сотни. В то время как в 2010 году в мире насчитывалось семь стран с установленной мощностью более 1гигаватта, к концу 2020 года таких будет более 43. Если в 2005 году общая установленная мощность солнечных проектов составила 5 ГВт, то в 2015 г. превысила 150 ГВт. Ожидается, что в конце 2020 года в мире будет введено в строй 142 ГВт солнечных электростанций (СЭС), почти на 15% больше, чем в 2019.
Преимущества гелиоэнергетики очевидны:
- Солнечная энергия - неисчерпаемый энергоресурс;
- Солнечное излучение бесплатно и доступно в любой точке Земли (от экватора до полюсов), для организации энергоснабжения не требуются линии электропередач, топливные хранилища и др.;
- СЭС оказывают минимальное воздействие на окружающую среду: ни токсичных выбросов, ни вредных побочных эффектов. Отсутствует шум и вибрация, что позволяет устанавливать СЭС даже на крышах и стенах жилых домов.
- Несмотря на высокую стоимость оборудования, оно окупается и в дальнейшем поставляет бесплатное электричество высокого качества. Затраты на уход и обслуживание минимальны (очистка от пыли).
- СЭС сохраняют свою эффективность около 25 лет. С течением времени КПД панелей начинает снижаться, но станция продолжает работать. Обновлять систему можно частями, заменяя отдельные модули на новые.
К недостаткам относят следующие факторы:
- Низкий КПД фотоэлектрических элементов (16-25%), что в сочетании с высокой стоимостью оборудования СЭС увеличивает срок их окупаемости.
- Максимальный кпд СЭС любого типа не превышает 30%. При сжигании топлива отдача выше.
- Эффективность СЭС зависит от времени суток и погодных условий. Поток лучей прекращается при входе планеты в теневую область, тогда как потребление энергии в темное время суток возрастает. В условиях облачности большая часть лучей рассеивается. Приходится решать проблемы аккумулирования энергии. В сильную жару получать максимум генерации мешает перегрев фотоэлектрических панелей.
- Для размещения зеркал и монтажа батарей требуются пространства в тысячи гектаров. Если домовладельцы могут разместить панели на вертикальных щитах, крышах строений, то в промышленных масштабах это невозможно - территория СЭС занимает площадь десятков футбольных полей.
- Солнечные установки способны скапливать только постоянный ток, для генерации переменного тока потребуются дополнительные установки.
1.2 Энергия ветра
С незапамятных времен энергия ветра наряду с энергией падающей воды - один из самых легкодоступных и востребованных видов энергии Солнца. Люди начали использовать её тысячелетия назад, когда построили первые парусные корабли, а позднее – ветряные мельницы.
Потенциал энергии ветра уступает только потенциалу солнечной энергии. Общие запасы энергии ветра в мире оценены в 170 тыс. ТВт·ч в год, что в восемь раз превышает нынешнее мировое потребление электроэнергии.
Неудивительно, что ветроэлектростанции (ВЭС) начали строить ещё в начале прошлого века. Интересно, что СССР был одним из лидеров в этой области в 1930–1950-е годы. В  1931 г. близ Балаклавы была введена в эксплуатацию ветроэлектростанция, работавшая до 1941 г. (была разрушена во время боёв за Севастополь). В 1950-х  в СССР производилось 9000 ветроустановок в год. В период освоения целины в Казахстане была построена первая многоагрегатная ветроэлектростанция, ставшая прообразом современных европейских ветропарков и систем «ветро-дизель».
Тем не менее активное развитие ветроэнергетики в мире началось лишь в 70-е годы прошлого столетия. Предпосылками к нему стали обострившиеся экологические проблемы в сочетании с ростом цен на нефть и желанием ослабить зависимость Запада от поставок углеводородов из СССР и стран третьего мира. Нефтяной кризис 1973–1974 годов дал ветроэнергетике дополнительный стимул и вывел вопрос о её развитии на государственно-политический уровень. С тех пор общая установленная мощность ветроэлектростанций в мире выросла в 60–75 раз.
Согласно статистике, опубликованной 12 апреля Всемирной ассоциацией ветровой энергетики (WWEA), общая мощность всех ветроустановок в мире по состоянию на конец 2017 г. составила 539 291 МВт, что обеспечивает более 5% мировой потребности в электроэнергии. За основу стратегии поэтапного отказа от использования органического топлива многие страны взяли именно ветроэнергетику. В том же 2017 г. в Дании был установлен мировой рекорд по доле электроэнергии, получаемой от ветра, в общем энергетическом балансе страны - 43 %. В таких странах, как Германия, Ирландия, Португалия, Испания, Бельгия, Швеция и Уругвай, доля ветроэнергетики достигла двузначных чисел.
Мировым лидером по использованию энергии ветра является Китай: на конец 2019 года там работало 237 ГВт ветряных электростанций, что составляет около 36 % от ветряных мощностей всего мира.
Учитывая потенциал энергии ветра, теоретически всё электроснабжение в мире можно было бы обеспечить исключительно посредством использования ВЭС. Производство энергии из ветра не приводит к выбросам вредных веществ в атмосферу не создает отходов, не генерирует излучений. Срок службы ВЭС в среднем составляет 20-30 лет, и после ее демонтажа не остается никаких следов ни в ландшафте, ни в атмосфере. Безопасность оборудования, простота и малозатратность его эксплуатации и технического обслуживания, минимальные потери при передаче энергии – также несомненные достоинства ветроэнергетики. Однако и она имеет оборотную сторону.
По коэффициенту использования установленной мощности ВЭС сильно уступают АЭС и ГЭС: 84% для АЭС, 42% для ГЭС и лишь 20% для ВЭС. Это обусловлено характером самого источника энергии: ветер не всегда дует с достаточной силой, он непредсказуем: меняет направление, затихает даже в самых ветреных районах Земли или, напротив, достигает такой силы, что ломает ветряки. Таким образом, ВЭС в 2–4 раза менее продуктивны, чем электростанции традиционных типов, т.е. для получения того же количества электроэнергии их надо построить в 2–4 раза больше.
Учитывая то, что металлоёмкость современного ветрогенератора мощностью 3 МВт достигает 350 тонн, а размещение ветропарка мощностью 1 ГВт требует площадь в тысячи гектаров (ТЭС такой же мощности - порядка нескольких гектаров), это обширные территории и дополнительные материалы, а значит, более значительные затраты и больший экологический ущерб (в чём бы он ни заключался) в пересчёте на киловатт произведённой электроэнергии.Стоимость строительства ВЭС составляет 1500–2000 долларов на 1 кВт установленной мощности, что сопоставимо с затратами на строительство АЭС и в несколько раз выше инвестиций на строительство ТЭС. Установки высокой мощности (с большой высотой мачты и большим диаметром лопастей), работающие в условиях сильных ветров и морозов, нуждаются в повышенной надёжности, а значит, требуют дополнительных затрат на строительство и обслуживание. Сохранение избыточной энергии, выработанной ветряными турбинами, требует дополнительных агрегатов: аккумуляторов или конверторов в другие виды энергии. Таким образом, ВЭС требуют больших инвестиционных затрат и окупаются достаточно долго.
Суммарные эксплуатационные издержки составляют 0,6-1 евроцент на 1 кВт·ч, а для турбин со сроком эксплуатации выше 10 лет издержки возрастают до 1,5-2 евроцента на 1 кВт·ч. Для сравнения, затраты на выработку 1 кВт·ч на ГЭС и АЭС - менее 0,2 евроцентов, на ТЭС при текущей цене на топливо - около 2,5 евроцентов.Что касается экологического аспекта ветроэнергетики, то и тут не всё безупречно. Ветрогенераторы являются источниками постоянного шума, сравнимого с шумом автомобиля, движущегося со скоростью 70 км/ч. В сочетании с достаточно интенсивным инфразвуковым шумом, это чрезвычайно неблагоприятно воздействует на живые организмы, вызывая угнетенное состояние, сильное беспричинное беспокойство и жизненный дискомфорт. Как показал опыт эксплуатации большого числа ветряных установок в США, этот шум не выдерживают ни животные, ни птицы, покидая район размещения станции. В итоге не только территории самой ВЭС, но и примыкающие к ней, становятся непригодными для жизни. Мощные движущиеся элементы ВЭС могут убивать птиц и летучих мышей. Особенно это опасно в периоды миграции птиц, поэтому ВЭС запрещено ставить на миграционных маршрутах.
1.3 Геотермальная энергия
Значительная часть поверхности Земли обладает солидными запасами геотермальной энергии, обусловленной вулканической активностью, процессами радиоактивного распада, тектонической деятельностью и наличием магмы в земной коре. Сейсмически активные участки не единственные места, где «запечатана» геотермальная энергия. Существует постоянный запас полезного тепла для целей прямого нагрева  на глубине везде от 4 метров до нескольких километров ниже поверхности практически в любом месте на земле. Кроме того существует огромное количество тепловой энергии в сухих скальных образованиях очень глубоко под поверхностью (4 – 10 км).
Согласно расчетам ученых, мировая база геотермальных ресурсов больше, чем все земные запасы газа, нефти, угля и урана вместе взятые.
Возможности, предлагаемые этим источником энергии, выглядят идеальными: он неисчерпаем, стабилен и не зависит от погодных условий. Геотермальная энергия рассматривается как потенциальный лидер среди источников энергии будущего. Не случайно в 2017 году на 21-й сессии Конференции Сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата был создан Глобальный геотермальный альянс - коалиция из 38 стран, объединившихся с целью продвижения геотермальной энергии на международной арене.
В настоящее время суммарная мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 16 Гвт. ГеоТЭС производят в 25 странах мира около 55тыс. ГВтч·в год. На сегодня позицию лидера по производству геотермальной электроэнергии удерживают Соединенные Штаты. Второе и третье место занимают Индонезия и Филиппины. В 2018 г. в Турции и Новой Зеландии запустили новые геотермальные электростанции, что послужило толчком для попадания данных стран в пятерку лидеров. Геотермальная энергетика в настоящий момент достигла такого развития, что позволяет отапливать жилые дома. Так, в Швеции почти 90% новых зданий отапливается с помощью бурения отверстий, из которых тепло поступает в квартиры. В Исландии практически каждое здание в стране нагревается  горячей родниковой водой. В России геотермальная энергетика развита слабо, несмотря на наличие термальных вод.
Можно выделить следующие преимущества геотермальной энергии:
- в отличие от СЭС и ВЭС, ГеоТЭ абсолютно индифферентны к климатическим условиям и временам года. При соблюдении техпроцессов по обратной отдаче воды в скважину гидротермальная электростанция будет беспрерывно функционировать в режиме 7/24.
- коэффициент использования установленной мощности превышает 90%, что в разы превышает показатель  технологий, использующих такие возобновляемые источники энергии, как солнце, ветер или приливы.
- геотермальные установки практически не нуждаются в техническом обслуживании;
- ГеоТЭС не вырабатывают токсичных выбросов, лишь только небольшое количество углекислого газа, на порядок меньшее, чем у газовых ТЭС;
- геотермальную скважину можно использовать несравнимо дольше, чем месторождения традиционных источников;
- так как теплоноситель берётся в буквальном смысле из земли, на поверхности строится машинный зал с турбиной и генератором и градирня. Геотермальная станция с выработкой 1 ГВт·ч/год займет площадь 400 м2 – это позволяет ставить их даже в районах, где рельеф не походит для строительства традиционных электростанций (например, в гористой местности);
Однако специфика геотермальных ресурсов включает и ряд недостатков.
- для поиска подходящего места требуется дорогостоящее обследование скважин без гарантии попадания в продуктивную подземную горячую точку.
- районы с высокой температурой подземного источника находятся в районах с активными вулканами;
- низкий выход энергии в сравнении с газовыми и нефтяными скважинами;
- несмотря на относительную простоту конструкции ГеоТЭС, первичные вложения (геологоразведка, анализ) в их строительство немалые. Себестоимость геотермальных станций колеблется на уровне $2800/кВт установленной мощности. Для сравнения, ТЭС — $1000/кВт, ВЭС — $1600/кВт, СЭС — $1800-2000/кВт, АЭС — около $6000/кВт.
Сегодня человечество использует более 4% потенциала геотермальных источников для получения электроэнергии, и ещё менее 1% приходится на получение тепла.
Перспективы развития альтернативной энергетики
Ученые категоричны: уже к 2100 году подавляющее большинство источников топлива будут исчерпаны. Такое заявление стимулирует предпринимать энергичные меры по изучению и активному освоению нетрадиционных энергоисточников.
Наиболее остро стоит вопрос экономической целесообразности применения возобновляемых видов электроснабжения. Основная проблема - она все еще достаточно дорога , при этом эффективность ее по сравнению с традиционными способами производства электроэнергии низка. Однако методики и технологии постоянно развиваются, оборудование для возобновляемой энергетики совершенствуется: становится эффективнее, надежнее, дешевле. При этом тарифы обычных сетей постоянно растут с ростом цен на нефть и газ по мере исчерпания доступных месторождений. Поэтому все больше стран склоняются к альтернативным способам получения тепла и света. Частные домовладения также стараются переходить на использование возобновляемых источников энергии - это становится все более выгодно благодаря новым законам, изданным правительствами развитых стран.
Тем не менее ученые призывают не питать иллюзий: даже через 30 лет, по разным направлениям альтернативной энергетики можно будет вырабатывать не более 15-20% всей необходимой человечеству энергии. Так, согласно прогнозам Международного энергетического агентства доля альтернативной энергетики к 2035 г. в общем мировом энергетическом балансе составит 16%, в то время как доля энергии, получаемой при использовании традиционных видов топлива - 74%. Остальные 7 и 3% придутся соответственно на атомную энергетику и гидроэнергетику. Это связано с определенными недостатками большинства возобновляемых источников энергии, сдерживающими их широкое практическое применение: невысокой плотностью энергетических потоков, их непостоянством во времени и, как следствие этого, необходимостью значительных затрат на оборудование, обеспечивающее сбор, аккумулирование и преобразование энергии.
Однако проводимые в альтернативной энергетике интенсивные исследования, разработка и реализация крупных демонстрационных проектов позволили обеспечить для некоторых ее направлений существенное (на порядок) снижение стоимости энергии, повышение их конкурентной способности и заметный рост их реального вклада в энергетические балансы стран и регионов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мировое сообщество не одно десятилетие муссирует тему использования альтернативных источников энергии. Однако проходят годы, а массового перехода на них не наблюдается. В то же время некоторые эксперты, подсчитав расходы на нефть и газ, в самом ближайшем будущем обещают кардинальные перемены в этом направлении. Согласно оптимистическим прогнозам, к 2020 г. доля альтернативной энергетики в энергобалансе достигнет 12-13%. Лидеры ведущих государств пока не слишком рассчитывают, что скоро откроется неиссякаемый источник дешевой энергии. Но политики поняли важность темы, и вопрос о международной энергетической безопасности уже был поставлен в рамках мероприятий Большой восьмерки. Российской стороной озвучено мнение, исходя из которого углеводороды могут активно потребляться еще полвека. За это время должна быть создана альтернативная энергетика.
В ближайшие десятилетия человечеству предстоит большая работа:
- создать технологии, которые позволят использовать данные источники энергии в промышленных масштабах;
- найти пути преодоления недостатков перечисленных ресурсов: нестабильность, цикличность, неравномерное распределением по поверхности планеты;
- решить проблему накапливания полученных топливных и энергетических запасов на случай аварийной ситуации или перебоев в выработке;
- разработать новые модели оборудования, способного вырабатывать требуемое количество энергии.
За альтернативной энергетикой будущее, но оно наступит не скоро.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вершинский Н. В. Энергия океана. - М.: Наука, 1991. - 152 с. .
2. Городов Р.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии:учебное пособие / Р.В. Городов, В.Е. Губин, А.С. Матвеев. – 1-е изд. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 294 с.
3. Непорожний П.С., Попков В.И. Энергетические ресурсы мира / П.С. Непорожний, В.И. Попков - М.: Энергоатомиздат, 2005. – 137 с.
4. Шефтер И.Я. Использование энергии ветра: учебное пособие. - М.: Энергия, 1975. - 247С.
5. Л.С. Юдасин Л.С. Энергетика: проблемы и надежды - М.: Просвещение, 1990. – 197 с.
6. Елдышев, Ю. Н. Хлопоты вокруг выхлопов / Ю. Н. Елдышев // Экология и жизнь.- 2006. - 2 (51). - С.49-50.
7. Альтернативная энергетика http://ru.wikipedia.org .
8. Статистика ветрогенерации в мире. https://wwindea.org/.