Что такое альтернативная энергия?

Альтернативная энергия становится всё более актуальной темой в условиях глобальных экологических изменений и ограниченности традиционных энергетических ресурсов. Эта тема привлекает внимание правительств, компаний и обычных людей, стремящихся сократить негативное влияние на окружающую среду и найти пути для более устойчивого развития.

26 апреля учителя школы посетили занятие по "Альтернативной энергетике", которое проводил преподаватель Кванториума Спиридонов Евгений Вячеславович.

Человечество получает энергию, в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и работы атомных электростанций.

Альтернативная энергетика - это методы получения энергии более экологичным способом и приносящие меньше вреда природе.

Определение и виды альтернативной энергии

Альтернативная энергия - это энергия, получаемая из возобновляемых и экологически чистых источников. В отличие от традиционных видов энергии, таких как нефть, газ и уголь, альтернативная энергия не исчерпывается и не наносит существенного вреда окружающей среде. В эту категорию входят:

• Солнечная энергия
• Ветроэнергетика
• Гидроэнергия
• Геотермальная энергия
• Энергия биомассы
• Приливная и волновая энергия

Эти источники энергии могут быть возобновляемыми (постоянно восполняемыми) и практически не требуют затрат на добычу ресурса.

Существует множество возобновляемых источников энергии, включая энергию приливов и отливов, грозовую и криоэнергию, но основными считаются вышеуказанные пять.

Преимущества и недостатки различных видов альтернативной энергии

Солнечная энергия

Солнечная энергия - используется для генерации электричества и тепла с помощью солнечных панелей. Это один из самых доступных и распространённых видов альтернативной энергии.

Солнечная энергия. Самый популярный источник альтернативной энергии в мире. Специальные гелиоустановки или солнечные батареи (фотоэлементы) преобразуют солнечную энергию в другие виды энергии. Солнце можно использовать как для теплоснабжения, так и для выработки электроэнергии.

Среди преимуществ - возобновляемость ресурса, бесшумность, абсолютная экологичность (при переработке нет вредных выбросов). Главным недостатком является зависимость от суточного и сезонного ритма излучения, а также необходимость использовать большое количество солнечных батарей (большая площадь солнечной фермы) для выработки достаточного количества энергии.

Солнце - главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс. раз превышает общемировые потребности в энергии.

Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников - в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха.

Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад.

Именно поэтому Россия обладает всеми необходимыми ресурсами для развития этого вида энергетики.

Эффективность такого рода устройств напрямую зависит от климатической зоны, поэтому этот вид энергии не особо выгоден для тех городов и стран, где солнца в течение года бывает мало, например, для Москвы, где в среднем всего 72 солнечных дня в году.

По данным МЭА, самым дешевым видом альтернативной энергии является солнечная.

Ветроэнергетика

Ветроэнергетика - энергия ветра преобразуется в электричество с помощью ветряных турбин.

Энергия ветра. Еще один популярный и активно внедряемый ресурс. Специальные ветровые электростанции (современные ветряные мельницы) преобразуют энергию ветра в электричество.

Недостатки и преимущества у таких электростанция такие же, как и в случае с энергией солнца. С одной стороны энергия ветра - экологичный и возобновляемый ресурс, с другой - сильная зависимость от природных условий.

Еще один недостаток современных ветряных мельниц - высокий уровень шума, это не позволяет устанавливать их вблизи жилых зон.

Использование ветра в качестве движущей силы - давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции.

Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.

Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики.

Это самый старый способ получения энергии, известный человечеству. На смену ветряным мельницам уже давно пришли ветрогенераторы, которые используются как минимум половиной земного шара (лидером по количеству ветроэлектростанций является Китай).

Проблема лишь в том, что сильные ветры дуют далеко не всегда и не везде, а значит такого рода энергию можно использовать в ограниченном объеме.

Россия обладает большим ветроэнергетическим потенциалом.

Гидроэнергетика

Гидроэнергия - это энергия движущейся воды, которая преобразуется в электричество с помощью гидроэлектростанций.

В электричество можно преобразовать и движение воды: для этого необходимы гидроэлектростанции (ГЭС) с водохранилищами и платинами.

Их ставят на таких реках, которые не пересыхают, с достаточно сильным течением и потоком. Плотины необходимы для того, чтобы добиться определенного напора воды, который будет заставлять биться лопасти гидротурбины. Гидроэнергия тоже относится к возобновляемым источникам энергии.

В отличие от ветра, вода - достаточно предсказуемый ресурс, с ее помощью энергия вырабатывается стабильно.

В России примерно 98% всей возобновляемой энергии приходятся на гидроэлектростанции. В Норвегии же практически вся электроэнергия для промышленности и городов поступает из гидроэнергетики.

К минусам этого вида относятся затраты на строительство и сложность конструкций: любой просчет несет за собой риски затопления прилегающих территорий, а из-за резких скачков уровней воды страдает флора и фауна водоемов.

Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях.

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия - использует тепло, генерируемое внутри Земли. Геотермальные электростанции добывают энергию из горячих источников и гейзеров.

Тепловая энергия земли. Для переработки данного вида энергии используются геотермальные станции, которые преобразуют энергию грунтовых вод, вулканов, термальных источников. Геотермальные станции могут вырабатывать как тепловую энергию, так и электричество для разных нужд.

Основное преимущество - возобновляемость и полная независимость от времени суток или времени года (в отличие от энергии солнца и ветра).

Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы.

Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин - это не требует больших капиталовложений.

Геотермальная энергия зарождается внутри Земли и нагревает подземные источники. Пробурив скважины, люди извлекают горячий пар и воду наружу и используют их для обогрева помещений или же преобразуют в электроэнергию.

Это отличный вариант выработки электричества для вулканических районов, однако найти место для строительства - задача нетривиальная, особенно с учетом сейсмической активности.

Энергия биомассы

Энергия биомассы - энергия, получаемая из органических материалов, таких как древесина, отходы сельского хозяйства и бытовые отходы.

Биоэнергетика основана на использовании растительной и животной биомассы. Это крупнейший по использованию в мировом хозяйстве возобновляемый ресурс, который можно производить практически в любой стране.

Однако эти нетрадиционные источники энергии имеют относительно низкую теплотворную способность, а также несут риски экологического дисбаланса. Например, производство биомассы из древесины может привести к уменьшению площади лесов и, как следствие, загрязнению атмосферы.

Биотопливо. Биотопливо - это топливо из растительного или животного сырья.

Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы.

Биоэнергетика вырабатывает электричество и тепло из топлива, которое делится на первое, второе и третье поколение. К первому поколению относится жидкое, твердое и газообразное биотопливо (дрова, биодизель, метан).

Ко второму поколению относится топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала или специально выращенных культур).

Так как накопление отходов приводит к загрязнению грунтовых вод и отчуждению сельхозпредприятий, то эту проблему как раз успешно может решить переработка сырья в биотопливо и удобрения.

Приливная и волновая энергия

Приливная и волновая энергия - использует силу приливов и волн для генерации электричества.

Данный вид альтернативной энергии начали разрабатывать относительно недавно, он использует энергию приливов и отливов (кинетическую энергию вращения земли) для выработки электроэнергии.

Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, работающие в режиме насоса или генератора. К сожалению, в отличие от классической гидроэлектростанции, подобные установки не пользуются большим спросом так как показывают низкую рентабельность.

Преимущества и недостатки альтернативной энергии

Использование альтернативной энергии открывает большие перспективы для человечества. Главная цель - сокращение выбросов углекислого газа и других вредных веществ в атмосферу. По мере увеличения использования таких источников энергии можно будет значительно снизить негативное влияние на окружающую среду и замедлить изменения климата.

Кроме того, альтернативная энергия способствует снижению зависимости от традиционных источников топлива. Это особенно важно для стран, которые сильно зависят от импорта нефти, газа или угля. Развитие собственной энергосистемы на основе возобновляемых источников позволит повысить энергетическую безопасность и сократить затраты на импорт ресурсов.

Также альтернативная энергия открывает новые возможности для развития «зелёной» экономики. Создаются рабочие места в секторах строительства и обслуживания электростанций на основе возобновляемых источников энергии. Развитие этих технологий стимулирует инновации и повышает конкурентоспособность стран на мировом рынке.

Несмотря на многочисленные преимущества, переход на альтернативные источники энергии сталкивается с рядом сложностей. Одной из главных проблем остаётся высокая стоимость установки и эксплуатации оборудования для производства энергии из возобновляемых источников. Например, солнечные панели и ветряные турбины требуют значительных первоначальных инвестиций.

Ещё одна сложность связана с низкой плотностью энергии, генерируемой возобновляемыми источниками. Для получения того же количества энергии, что и из угля или нефти, требуется гораздо большее количество солнечных панелей или ветряных турбин. Это означает, что для альтернативных электростанций нужно выделять больше площадей.

Кроме того, источники альтернативной энергии зачастую нестабильны. Солнце не светит круглосуточно, ветер может утихнуть, а приливы и отливы зависят от времени суток. Это приводит к необходимости использования систем накопления энергии или комбинирования альтернативных источников с традиционными электростанциями.

Для эффективного использования альтернативной энергии необходимо развивать инфраструктуру и технологии накопления и распределения энергии. В этом направлении ведутся исследования и разработки, но их внедрение требует времени и значительных финансовых вложений.

Перспективы развития альтернативной энергетики в мире и в России

Россия, несмотря на огромные запасы нефти и газа, также начинает активнее развивать альтернативные источники энергии. Особенно перспективным направлением является использование солнечной и ветровой энергии в регионах с большой инсоляцией или ветровыми ресурсами, таких как юг страны и Сибирь.

В мире лидерами в области альтернативной энергии остаются страны Европы, США и Китай. Эти государства активно инвестируют в исследования и разработку новых технологий, совершенствуют инфраструктуру и стремятся к снижению зависимости от ископаемого топлива. Многие из них поставили перед собой амбициозные цели - достичь нулевых выбросов углекислого газа к 2050 году.

Альтернативная энергия будет играть ключевую роль в будущем энергосистем мира. Развитие технологий, снижение стоимости оборудования и накопление опыта позволят преодолеть текущие сложности и сделать альтернативные источники более доступными и эффективными.

Зелёная энергетика находится на мировой повестке уже несколько десятилетий, что вполне закономерно: парниковый эффект, загрязнение воздуха, увеличение количества заболеваний человечество явно не радуют.

По данным на 2021 год, ежегодно в атмосферу выбрасывается порядка 50 млрд тонн парниковых газов, 70% из них − за счет энергии, получаемой из ископаемого топлива.

Ученые всего мира уже много лет ищут альтернативу углю, нефти и газу, тем более что лет через 100 полезные ископаемые на нашей планете и вовсе закончатся. А вот солнце не потухнет, ветер не утихнет, и океан не засохнет.

После того, как люди научились добывать и сжигать ископаемое топливо, применение ветровых и других «зеленых» установок резко сократилось. А во второй половине прошлого века интерес к ним начал активно возрождаться.

Использование альтернативной энергии растет во всем мире. Начиная с 2012 года более 50% из всех ежегодно устанавливаемых энергомощностей приходится на возобновляемые источники.

За 20 лет инвестиции в создание «зеленых» энергоносителей выросли практически в 10 раз (с $33 млрд до более чем $300 млрд), и они продолжают увеличиваться.

По прогнозам Международного Энергетического Агентства (МЭА), к 2027 году зеленые энергоресурсы вырастут на 2400 ГВт (это примерно мощность всей электроэнергетики Китая), а их доля в мировом энергобалансе достигнет 38%!

Основные лидеры этого тренда - страны Европы, Китай, Америка, Канада. Так, например, в Китае уже в 2021 году из всех введенных энергетических мощностей 76% были зелеными.

Россия пока не может похвастаться большими успехами в этой области: доля альтернативных источников энергии в единой энергетической системе России не превышает 1,5%.

Темпы роста альтернативной энергетики более чем впечатляющие, но говорить о полном замещении исчерпаемых видов на неисчерпаемые пока рано. В обозримом будущем у последних просто не хватит мощности, чтобы удовлетворить потребность человечества в электричестве, которая будет расти ежегодно на 3% в 2023-2025 гг. (прогноз МЭА).

Факторы, препятствующие развитию зелёной энергетики

Существенным препятствием к быстрому росту экологически чистой энергии является также ее цена.

Для солнечной и ветряной энергетики это, прежде всего, нестабильность выработки, в связи с чем этим видам АИЭ требуется балансировка в виде мощных накопительных систем, либо за счет традиционной генерации.

Большие вопросы вызывает утилизация отходов деятельности ВИЭ (солнечных батарей, аккумуляторов для электромобилей и т. д.), методика ее оценки и совокупный вред для экологии пока не рассчитаны.

Но наиболее очевидный барьер - это капитальные затраты на технологии, в частности строительство и установку солнечных и ветряных электростанций.

Субсидирование сектора

По оценкам портала OilPrice.com, энергопереход на зеленые технологии обойдется миру в $40 трлн до 2050 года.

МЭА предполагает, что на частный капитал придется более 70% инвестиций.

Себестоимость зелёной энергии

Для сравнения различных методов производства электроэнергии чаще всего используется показатель Levelized cost of energy (LCOE). Это средняя расчетная себестоимость производства электроэнергии на протяжении всего жизненного цикла электростанции.

Альтернативные источники энергии

Альтернативные источники энергии - это возобновляемые ресурсы, которые позволяют получать энергию без использования традиционных способов (нефть, газ, уголь).

Основная задача альтернативной энергетики - поиск новых источников, которые бы могли обеспечить необходимый объем энергии, не нанося серьезного вреда экологии.

Поиск новых ресурсов ведется постоянно, многие «нетрадиционные» методы получения энергии успешно используются в качестве частичной альтернативы традиционным методам.

Альтернативная энергетика так же, как и традиционная, использует природные ресурсы, однако делает это безопасно для планеты. Основная идея заключается в применении возобновляемых ресурсов, отсюда и название - возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Органическое топливо в виде газа и нефти конечно, в то время как энергия ветра или солнца не закончится никогда.

Интересно отметить, что возобновляемые источники энергии активно использовались нашими предками еще до того, как в оборот вошло органическое топливо.

Другие виды альтернативной энергии

Перечисленные виды альтернативного топлива не единственные. Ученые постоянно ведут поиск новых источников энергии; используются грозовая энергия (атмосферное электричество) и даже энергия вирусов.

Атомная энергия как альтернативный источник

Теоретически к списку альтернативных источников энергии можно добавить и атомную энергию, так как она соответствует двум основным критериям «зелености»: она неисчерпаема и не производит выбросов парниковых газов. В некоторых странах этот вопрос уже решен положительно.

В 2022 году Еврокомиссия приняла в «зеленый клуб» и атомную энергетику. Основной критерий «членства» − соответствие требованиям перехода к безуглеродной экономике и климатически нейтральным способам генерации энергии.

Однако «зеленый» статус мирного атома официально утвержден далеко не во всех странах. За Европой последовали пока только Китай, Россия и Бангладеш. Дилемма упирается в утилизацию радиоактивных отходов и надежность атомных электростанций. Атомная энергетика не создаёт парниковых газов, но ее использование пока нельзя назвать безопасным.

Альтернативная энергетика в школах

Было рассмотрено устройство, в котором с помощью раствора солёной воды получили энергию, приводящую в движение вентилятор, машинку.

С помощью этого устройства собирали электрическую схему со светящимися диодами.

Затем, заполнив две ёмкости, разделённые между собой электродами горячей, холодной воды, получили ещё один источник тока.

Также под руководством Евгения Вячеславовича собрали водородный источник энергии, который тоже приводил в движение машинку и вентилятор.

Много информации сегодня на занятии получено о современных автомобилях и способах приведения их в движение с помощью устройств, работающих на альтернативных источниках энергии, таких как солнечные батареи, водородный двигатель, паровой двигатель.

Источник энергии	Преимущества	Недостатки
Солнечная энергия	Возобновляемость, экологичность, бесшумность	Зависимость от погодных условий, необходимость большой площади
Ветроэнергетика	Возобновляемость, экологичность	Зависимость от силы ветра, шум, визуальное воздействие
Гидроэнергетика	Стабильность выработки энергии	Высокие затраты на строительство, воздействие на окружающую среду
Геотермальная энергия	Независимость от времени суток и года	Сложность поиска мест для строительства
Биомасса	Возможность производства практически в любой стране	Относительно низкая теплотворная способность, риски экологического дисбаланса