Альтернативные источники энергии. Что нас ждёт в будущем?
Без энергии жизнь человечества немыслима. Все мы привыкли использовать в качестве источников энергии органическое топливо – уголь, газ, нефть. Однако их запасы в природе, как известно, ограничены. В современном мире назрела серьезная проблема – это злоупотребление природными ресурсами, и рано или поздно наступит день, когда они иссякнут. На вопрос «что делать в преддверии энергетического кризиса?» уже давно найден ответ: надо искать другие источники энергии – альтернативные, нетрадиционные, возобновляемые. Уже сейчас во многих странах используют возобновляемую энергию без нанесения вреда окружающей среде.
Солнечная энергия
Солнце – основной источник энергии в нашей солнечной системе. Солнце излучает мельчайшие частицы, которые мы воспринимаем как свет и тепло. Человечество еще в прошлом веке научилось использовать солнечную энергию, преобразовывая ее в электрический ток. Принцип действия солнечных батарей реализован на явлении под названием фотоэффект. Фотоэффект – это испускание электронов веществом под действием света. Все современные фотопреобразователи собраны на основе полупроводниковых кристаллов. Вначале фотоэлементы делались из кристаллов германия, но КПД таких модулей не превышал 9%.
Современные технологии позволили делать фотоэлементы из одного большого кристалла чистого кремния. Сам процесс очищения кремния достаточно долгий и трудный, поэтому, несмотря на огромные запасы кремния, готовые солнечные модули стоят пока очень дорого. Кремний входит в состав обычной песчинки, так что запасы кремния на земле практически неисчерпаемы. Процесс обработки кремния происходит на специальных заводах, а батарейки собирают на других, куда уже поступают готовые полупроводниковые модули.
Сегодня солнечный фотовольтовый преобразователь – самый чистый способ получения электричес
кой энергии. Он не имеет никаких вредных отходов и влияний на окружающую среду.
Относительно недавно было выпущено 2 доклада Международного энергетического агентства, из которых следует, что к 2050 году солнечная энергия может стать самым широко используемым источником выработки электроэнергии в мире, обойдя не только ветровую и гидроэнергию, но и ископаемое топливо, а также атомную энергию.
Ветряная энергия
Одним из перспективнейших источников энергии является ветер. С использованием энергии ветра человечество знакомо с незапамятных времен. Когда-то неизвестный изобретатель приладил парус к з плавучему средству, и с его помощью через столетия вся Земля была обследована пытливыми мореплавателями. Но сегодня использование ветра подразумевает, прежде всего, получение электроэнергии. Принцип работы ветрогенератора элементарен: сила ветра используется для того, чтобы привести в движение ветряное колесо. Это вращение в свою очередь передаётся ротору электрического генератора.
Преимуществом ветряного генератора является прежде всего то, что в ветряных местах ветер можно считать неисчерпаемым источником энергии. Кроме того, ветрогенераторы, производя энергию, не загрязняют атмосферу вредными выбросами.
Ветряные электростанции в настоящее время активно строятся на территории всех европейских государств. Они представляют собой несколько ветрогенераторов, которые собраны в одном или нескольких местах. Большие ветряные электростанции могут работать на 100 или более генераторах. Их строят в местах, где средняя скорость ветра достигает 4,5 м/с. Перед их установкой исследуется потенциал местности, для чего на высоте 30-100 метров устанавливаются анемометры. Они измеряют, насколько эффективна та или иная местность для строительства ветряной электростанции.
Как известно, скорость ветра увеличивается с высотой. Именно поэтому строительство ветряных электростанций происходит, как правило, на вершинах холмов.
При установке подобных сооружений учитывается экологическая безвредность данного метода получения энергии. Так, в Германии, Британии, Голландии и Дании принята норма, ограничивающая уровень шума от ветряной электростанции: 45 децибел днём и 35 – ночью. Наименьшее расстояние от жилых домов должно составить 300 м.
Следует отметить, что ветряные электростанции не работают, когда начинается сезонная миграция птиц. Так человек заботится об окружающей среде.
Энергетические запасы ветра превышают количество гидроэнергии всех рек Земли в сотню раз. На высотах 7-14 км от поверхности земного шара его мощность в 10-15 раз выше, что открывает большие возможности в сфере ветроэнергетики. Высотные потоки ветра постоянны и неизменны на протяжении года.
Шанс воспользоваться неиссякаемым источником энергии и существенно снизить её стоимость заставляет изучать ветроэнергетику и внедрять новые технологии.
Геотермальная энергия
Сегодня уже в 80 странах мира в той или иной степени используется геотермальное тепло. В большей части из них, а именно в 70 странах, утилизация этого вида природного тепла достигла развития на уровне строительства теплиц, бассейнов, использования в лечебных целях и т.д., а геотермальные электростанции имеются примерно в 25 странах.
Что такое геотермальная энергия? В центре Земли температура составляет около 6000 градусов по Цельсию – это достаточно горячо, чтобы с легкостью расплавить породы земной коры. Даже на несколько километров вглубь Земли температура может быть более 250 градусов по Цельсию, если слой земной коры является тонким. В целом, повышение температуры идет на один градус каждые 30-50 метров в зависимости от месторасположения. В вулканических районах расплавленные породы земной коры могут находиться очень близко к поверхности.
Слово «геотермальная» происходит от греческого слова geo (земля) и therme (тепловая энергия). Таким образом, геотермальная энергия – это тепло из-под Земли. Мы можем восстановить это тепло в виде пара или горячей воды и использовать ее для обогрева зданий и выработки электроэнергии. Для этого достаточно закачивать в эти скважины вниз холодную воду, получая при этом по рядом пробуренным скважинам поднимающуюся вверх перегретую геотермальную воду и образовавшийся из нее пар.
Первая геотермальная электростанция была построена в Ландрелло, в Италии, а вторая в Вайреке – в Новой Зеландии. Остальные находятся в Исландии, Японии, на Филиппинах и в Соединенных Штатах. В Исландии геотермальное тепло используется для обогрева домов, а также для выработки электроэнергии.
Геотермальная энергия является возобновляемым источником энергии, так как тепло постоянно возникает внутри Земли. Внутри Земли содержится теплоты гораздо больше, чем можно было бы добыть в ядерных реакторах при расщеплении всех земных запасов урана. Если человечество будет использовать только геотермальную энергию, пройдет 41 млн. лет, прежде чем температура недр Земли понизится только на полградуса.
Осмотическая электростанция: чистая энергия соленой воды
Многие ли знают, за счет каких процессов соки в деревьях поднимаются на значительную высоту? Для секвойи она составляет более 100 метров. Происходит эта транспортировка соков в зону фотосинтеза за счет работы физического эффекта – осмоса. Заключается он в простом явлении: в двух растворах разной концентрации, помещенных в сосуд с полупроницаемой (проницаемой только для молекул растворителя) мембраной, спустя некоторое время появляется разность уровней. В дословном переводе с греческого языка осмос – это толчок, давление.
А теперь от живой природы вернемся к технике. Если в сосуд с перегородкой поместить морскую и пресную воду, то за счет разной концентрации растворенных солей появляется осмотическое давление и уровень морской воды поднимется. Перепад в уровнях воды дальше используется обычным образом: это знакомая работа гидроэлектростанций.
Норвежская энергетическая компания Statkraft, получив государственный грант, и затратив более 20 млн. долларов, стала пионером в новом виде энергетики. Построенная осмотическая электростанция вырабатывает около 4 кВт мощности, которой хватает для работы … двух электрических чайников. Но цели постройки станции гораздо серьезней: ведь отработка технологии и испытание в реальных условиях материалов для мембран открывают путь к созданию значительно более мощных сооружений.
На норвежской станции в Тофте это значение едва превышает 1 Вт/м2. Но уже сегодня испытываются мембраны с эффективностью 2,4 Вт/м2, а к 2015 году ожидается достижение рентабельного значения 5 Вт/м2. Есть обнадеживающая информация из исследовательского центра Франции. Работая с материалами на основе углеродных нанотрубок, ученые получили на образцах эффективность отбора энергии осмоса около 4000 Вт/м2. А это уже не просто рентабельно, а превышает эффективность практически всех традиционных источников энергии.
В гонку по созданию мембран высокой эффективности включились ведущие корпорации Японии и Америки.
Если удастся в течение ближайшего десятилетия решить проблему мембран для осмотических станций, то новый источник энергии займет ведущее место в обеспечении человечества экологически чистыми энергоносителями. В отличие от энергии ветра и солнца, установки прямого осмоса могут работать круглые сутки и не зависят от погодных условий.
Мировой резерв энергии осмоса огромен – ежегодный сброс пресных речных вод составляет более 3700 кубических километров. Если удастся использовать только 10% этого объема, то можно вырабатывать более 1,5 ТВт/часов электрической энергии, т.е. около 50% европейского потребления.
Но не только этот источник может помочь решить энергетическую проблему. При наличии высокоэффективных мембран можно использовать энергию глубин океана. Дело в том, что соленость воды зависит от температуры, а она на разных глубинах разная.
Используя температурные градиенты солености, можно не привязываться к устьям рек в строительстве станций, а просто размещать их в акватории океанов. Но это уже задача отдаленного будущего. Хотя практика показывает, что делать прогнозы в технике – это неблагодарное занятие. И будущее уже завтра может постучаться в нашу действительность.