Альтернативні джерела енергії. Що нас чекає в майбутньому?

Без енергії життя людства неможливе. Всі ми звикли використовувати в якості джерел енергії органічне паливо – вугілля, газ, нафту. Проте їх запаси в природі, як відомо, обмежені. У сучасному світі назріла серйозна проблема – це зловживання природними ресурсами, і рано чи пізно настане день, коли вони вичерпаються. На питання «що робити напередодні енергетичної кризи?» вже давно знайдено відповідь: треба шукати інші джерела енергії – альтернативні, нетрадиційні, поновлювані. Вже зараз у багатьох країнах використовують поновлювану енергію без нанесення шкоди навколишньому середовищу.

Сонячна енергія

Сонце – основне джерело енергії в нашій сонячній системі. Сонце випромінює найдрібніші частинки, які ми сприймаємо як світло і тепло. Людство ще в минулому столітті навчилося використовувати сонячну енергію, перетворюючи її в електричний струм. Принцип дії сонячних батарей реалізований на явищі під назвою фотоефект. Фотоефект – це випускання електронів речовиною під дією світла. Всі сучасні фотоперетворювачі зібрані на основі напівпровідникових кристалів. Спочатку фотоелементи робилися з кристалів германію, але ККД таких модулів не перевищував 9%.

Сучасні технології дозволили робити фотоелементи з одного великого кристала чистого кремнію. Сам процес очищення кремнію достатньо довгий і важкий, тому, незважаючи на величезні запаси кремнію, готові сонячні модулі стоять поки дуже дорого. Кремній входить до складу звичайної піщинки, так що запаси кремнію на землі практично невичерпні. Процес обробки кремнію відбувається на спеціальних заводах, а батарейки збирають на інших, куди вже надходять готові напівпровідникові модулі.

Сьогодні сонячний фотовольтовий перетворювач – найчистіший спосіб отримання електричної енергії. Він не має жодних шкідливих відходів і впливів на навколишнє середовище.

Відносно недавно було випущено 2 доповіді Міжнародного енергетичного агентства, з яких випливає, що до 2050 року сонячна енергія може стати найбільш широко використовуваним джерелом вироблення електроенергії в світі, обійшовши не тільки вітрову і гідроенергію, а й викопне паливо, а також атомну енергію.

Вітряна енергія

Одним із перспективних джерел енергії є вітер. З використанням енергії вітру людство знайоме з незапам’ятних часів. Колись невідомий винахідник приладнав парус до звичайного плавучого засобу, і з його допомогою через сторіччя вся Земля була обстежена допитливими мореплавцями. Але сьогодні використання вітру передбачає, перш за все, отримання електроенергії. Принцип роботи вітрогенератора елементарний: сила вітру використовується для того, щоб привести в рух вітряне колесо. Це обертання в свою чергу передається ротору електричного генератора.

Перевагою вітряного генератора є насамперед те, що в вітряних місцях вітер можна вважати невичерпним джерелом енергії. Крім того, вітрогенератори, виробляючи енергію, не забруднюють атмосферу шкідливими викидами.

Вітряні електростанції в даний час активно будуються на території всіх європейських держав. Вони являють собою кілька вітрогенераторів, які зібрані в одному або декількох місцях. Великі вітряні електростанції можуть працювати на 100 або більше генераторах. Їх будують в місцях, де середня швидкість вітру досягає 4,5 м/с. Перед їх установкою досліджується потенціал місцевості, для чого на висоті 30-100 метрів встановлюються анемометри. Вони вимірюють, наскільки ефективна та чи інша місцевість для будівництва вітряної електростанції.

Як відомо, швидкість вітру збільшується з висотою. Саме тому будівництво вітряних електростанцій відбувається, як правило, на вершинах пагорбів.

При установці подібних споруд враховується екологічна нешкідливість даного методу отримання енергії. Так, у Німеччині, Британії, Голландії та Данії прийнята норма, що обмежує рівень шуму від вітряної електростанції: 45 децибел вдень і 35 – вночі. Найменша відстань від житлових будинків повинна складати 300 м.

Слід зазначити, що вітряні електростанції не працюють, коли починається сезонна міграція птахів. Так людина піклується про навколишнє середовище.

Енергетичні запаси вітру перевищують кількість гідроенергії всіх річок Землі в сотню разів. На висотах 7-14 км від поверхні земної кулі його потужність в 10-15 разів вище, що відкриває великі можливості в сфері вітроенергетики. Висотні потоки вітру постійні і незмінні протягом року.

Шанс скористатися невичерпним джерелом енергії та суттєво знизити її вартість змушує вивчати вітроенергетику і впроваджувати нові технології.

Геотермальна енергія

Сьогодні вже в 80 країнах світу в тій чи іншій мірі використовується геотермальне тепло. В більшої частини з них, а саме в 70 країнах, утилізація цього виду природного тепла досягла розвитку на рівні будівництва теплиць, басейнів, використання в лікувальних цілях і т.д., а геотермальні електростанції є приблизно в 25 країнах.

Що таке геотермальна енергія? У центрі Землі температура становить близько 6000 градусів за Цельсієм – це досить гаряче, щоб з легкістю розплавити породи земної кори. Навіть на кілька кілометрів углиб Землі температура може бути більше 250 градусів за Цельсієм, якщо шар земної кори є тонким. В цілому, підвищення температури йде на один градус кожні 30-50 метрів в залежності від місця розташування. У вулканічних районах розплавлені породи земної кори можуть знаходитися дуже близько до поверхні.

Слово «геотермальна» походить від грецького слова geo (земля) і therme (теплова енергія). Таким чином, геотермальна енергія – це тепло з-під Землі. Ми можемо відновити це тепло у вигляді пари або гарячої води і використовувати її для обігріву будівель та вироблення електроенергії. Для цього достатньо закачувати в ці свердловини вниз холодну воду, отримуючи при цьому по поруч пробурених свердловинах перегріту геотермальну воду, котра піднімається вгору, і утворений з неї пар.

Перша геотермальна електростанція була побудована в Ландрелло, в Італії, а друга в Вайреку – в Новій Зеландії. Решта перебувають в Ісландії, Японії, на Філіппінах і в Сполучених Штатах. В Ісландії геотермальне тепло використовується для обігріву будинків, а також для вироблення електроенергії.

Геотермальна енергія є відновлюваним джерелом енергії, так як тепло постійно виникає всередині Землі. Всередині Землі міститься теплоти набагато більше, ніж можна було б добути в ядерних реакторах при розщепленні всіх земних запасів урану. Якщо людство використовуватиме тільки геотермальну енергію, пройде 41 млн. років, перш ніж температура надр Землі знизиться тільки на півградуса.

Осмотична електростанція: чиста енергія солоної води

Чи багато хто знає, за рахунок яких процесів соки в деревах піднімаються на значну висоту? Для секвої вона становить більше 100 метрів. Відбувається це транспортування соків в зону фотосинтезу за рахунок роботи фізичного ефекту – осмосу. Полягає він в простому явищі: у двох розчинах різної концентрації, поміщених в посудину з напівпроникною (проникною тільки для молекул розчинника) мембраною, через деякий час з’являється різниця рівнів. У дослівному перекладі з грецької мови осмос – це поштовх, тиск.

А тепер від живої природи повернемося до техніки. Якщо в посудину з перегородкою помістити морську і прісну воду, то за рахунок різної концентрації розчинених солей з’являється осмотичний тиск і рівень морської води підніметься. Перепад в рівнях води далі використовується звичайним чином: це знайома робота гідроелектростанцій.

Норвезька енергетична компанія Statkraft, отримавши державний грант, і витративши понад 20 млн. доларів, стала піонером в новому вигляді енергетики. Побудована осмотична електростанція виробляє близько 4 кВт потужності, якої вистачає для роботи … двох електричних чайників. Але цілі будівлі станції набагато серйозніші: адже відпрацювання технології та випробування в реальних умовах матеріалів для мембран відкривають шлях до створення значно потужніших споруд.

На норвезькій станції в Тофті це значення ледь перевищує 1 Вт/м2. Але вже сьогодні випробовуються мембрани з ефективністю 2,4 Вт/м2, а до 2015 року очікується досягнення рентабельного значення 5 Вт/м2. Є обнадійлива інформація з дослідницького центру Франції. Працюючи з матеріалами на основі вуглецевих нанотрубок, вчені отримали на зразках ефективність відбору енергії осмосу близько 4000 Вт/м2. А це вже не просто рентабельно, а перевищує ефективність практично всіх традиційних джерел енергії.

До перегонів по створенню мембран високої ефективності долучилисяпровідні корпорації Японії та Америки.

Якщо вдасться протягом найближчого десятиліття вирішити проблему мембран для осмотичних станцій, то нове джерело енергії займе провідне місце в забезпеченні людства екологічно чистими енергоносіями. На відміну від енергії вітру і сонця, установки прямого осмосу можуть працювати цілодобово і не залежать від погодних умов.

Світовий резерв енергії осмосу величезний – щорічний скид прісних річкових вод становить більше 3700 кубічних кілометрів. Якщо вдасться використовувати тільки 10% цього обсягу, то можна виробляти більше 1,5 ТВт/годин електричної енергії, тобто близько 50% європейського споживання.

Але не тільки це джерело може допомогти вирішити енергетичну проблему. При наявності високоефективних мембран можна використовувати енергію глибин океану. Справа в тому, що солоність води залежить від температури, а вона на різних глибинах різна.

Використовуючи температурні градієнти солоності, можна не прив’язуватися до усть річок в будівництві станцій, а просто розміщувати їх в акваторії океанів. Але це вже завдання віддаленого майбутнього. Хоча практика показує, що робити прогнози в техніці – це невдячне заняття. І майбутнє вже завтра може постукати в нашу дійсність.