Въпреки значителните инвестиции в разработването на алтернативни енергийни източници, сега те покриват по-малко от 1% от глобалните човешки нужди от електроенергия. Но тази цифра нараства стабилно всяка година.
През 1872 г. руският изобретател Александър Лодигин създава крушка с нажежаема жичка, но по това време той дори не можеше да си представи, че от втората половина на 20-ти век електроцентралите от обичайния тип няма да могат да задоволят нарастващите нужди на човечеството без вреди на околната среда. И дори не става въпрос за осветление на жилищни помещения, защото в много страни халогенните лампи вече са станали стандарт, а на път е още по-енергийно ефективна технология - светодиодите. Основната причина за бързо нарастващото ниво на потребление на електроенергия на планетата е появата на напълно нови видове устройства, които консумират гигавата електроенергия. На първо място, говорим за центрове за данни и електрически превозни средства.
Центровете за данни - съвременните изчислителни технологии - не само консумират толкова електроенергия, колкото цяла жилищна зона на града, но и генерират огромни количества топлина. Освен това е трудно да си представим колко високо ще се повиши нивото на потребление на енергия на електрическите автомобили в много близко бъдеще - много обещаващи разработки, но досега неподходящи за широко използване. Тези проблеми принуждават най-добрите умове на нашето време да търсят нови, рентабилни начини за генериране на електроенергия, които минимизират отрицателното въздействие върху биосферата. Много технологии вече се използват активно на всички континенти. На базата на други засега са създадени само експериментални инсталации – на техните създатели тепърва предстои да доказват рационалността на идеите си. Но може би бъдещето на нашата планета се крие точно в най-фантастичните методи.
Слънчева енергия
Слънчевата енергия включва директно използване на слънчевата радиация за генериране на енергия под всякаква форма. Подобно на вятъра, слънцето е възобновяем източник.
Слънчевите клетки, базирани на фотоволтаични клетки, които преобразуват фотонната енергия в електричество, не генерират никакви вредни отпадъци. Основното им предимство е възможността да се комбинират с топлинни двигатели, което ви позволява да осигурите на човек не само електричество, но и отопление и топла вода. First Solar, Suntech и Sharp са първите три лидери на пазара на фотоклетки. Слънчевите електроцентрали (SPP) са широко разпространени в Германия, Испания и Япония. За съжаление слънчевата енергия представлява само 0,1% от световното електричество през 2010 г., тъй като този метод има своите недостатъци. Слънчевите панели са скъпи (производството на високоефективни слънчеви клетки изисква значителни разходи), освен това тяхната ефективност зависи пряко от времето и времето на деня. Освен това слънчевите клетки на базата на кадмий са трудни за рециклиране. Въпреки това миниатюрните слънчеви клетки напоследък са широко използвани в електрониката.
Получаване на електричество от вълни
Силата на вълните е била възхищена от древногръцките поети и философи. Съвременните специалисти са по-практични: те използват вълновата енергия не само за генериране на електричество, но и за обезсоляване на вода в региони с прекомерно сух климат. На теория водата има много повече кинетична енергия от въздуха, което прави възможно получаването на многократно повече електричество. Оборудването за изграждане на вълнови електроцентрали е проектирано от Marine Current Turbine, Wavegen, Ocean Power Delivery и други предприятия. Такива решения са идеални за страни с дълга морска ивица и силни пориви на вятъра. Например електроцентралата на вълните Oyster в Обединеното кралство използва произведена електроенергия за производство на водород и алуминий.
Водород и сероводород
Водородът е напълно безотпаден източник на електроенергия, тъй като в резултат на неговото изгаряне освен голямо количество топлина се отделя само вода (H2O) – естествено и напълно безвредно за околната среда вещество. Водещи автомобилни концерни - Daimler, Honda, General Motors, Hyundai и Fiat - вече произвеждат автомобили с двигател с вътрешно горене, способен да работи на водород. Япония се готви за пускане в експлоатация на първия водороден влак в света, а Германия вече достави на конвейера подводници от клас U-212 с водородни горивни клетки на Siemens. В САЩ е в ход изграждането на водородни електроцентрали FutureGen с мощност 275 MW, Китай подготвя своя отговор - електроцентралата GreenGen с два пъти по-голям капацитет.
И двата проекта използват технология за газификация на въглища, която в момента е най-евтината - 2 долара (16 гривни) за килограм водород. Като суровина за производството му служи и сероводород (H2S) – в дълбоките води на моретата и океаните концентрацията му е много висока. Превръщането на сероводород във водород не само ще направи възможно получаването на големи количества гориво за превозни средства и електроцентрали, но и ще предотврати увеличаване на концентрацията на това токсично вещество в морските води.
Енергия от космоса
Всички описани по-горе алтернативни източници на електричество отдавна са преминали етапа на експериментални инсталации и реално функционират, носейки осезаеми ползи.
Тази опция обаче не е: тя все още балансира по тънка линия между произведенията на класиците на научната фантастика и най-новите технологии.
Говорим за космическа енергия. Тази индустрия е тясно свързана със слънчевата енергия, тъй като използва подобни слънчеви клетки, базирани на фотоволтаични клетки. Има само една разлика: гигантският размер на слънчевите клетки трябва да се намира в земната орбита, откъдето генерираният ток ще се предава под формата на радиовълни. Трудността при провеждането на практически експерименти възпрепятства бързото развитие на този вид енергетика, тъй като само страни, които имат свои космодроми, могат да си позволят да извеждат тестови инсталации в орбита. Освен това все още не е ясно как точно инженерите планират да минимизират вредата от гигавати енергия, която под формата на радиовълни ще се втурне в земната атмосфера, която вече е силно претоварена със сателитна телевизия и клетъчни комуникации. Като цяло космическата енергия все още е по-скоро експеримент и през следващите десетилетия ще трябва да демонстрира своя потенциал. Но вече е ясно, че скоро човечеството няма да разполага с достатъчно електроенергия, произведена само на Земята – ще трябва да търси източниците си извън планетата.
Получаване на електричество от биогорива
Схема на автомобил, който работи с биогаз и конвенционално гориво. Всъщност хората използват най-простото твърдо биогориво от зората на цивилизацията. Това, разбира се, е за дървото. Сега дървото се консумира все по-малко: това е твърде ценен материал. Той беше заменен от брикети от пресовани стърготини. Но бъдещето все още не е за твърдите, а за течните биогорива.
Биоетанолът се получава чрез преработка на рапица, царевица и захарна тръстика, биометанолът се получава чрез ферментация на фитопланктона, а биодизелът се получава от животински и растителни мазнини. Най-често биогоривото се използва като заместител на бензина, но в много страни топлоелектрическите централи (ТЕЦ) са преминали към него от мазут и въглища. Биоетанолът, чието производство е съсредоточено в Бразилия и Съединените щати, покрива 1,5% от световното търсене на течни горива. Тази цифра може да звучи малко, но водещи анализатори изчисляват, че спирането на всички биогорива ще доведе до 15% увеличение на цената на барел петрол. През 2010 г. Европейският съюз въведе унифицирана стандартизация за биогорива – EN-PLUS.
Но дори и в случая с този източник на енергия, не беше без негативност. Световната общност е обезпокоена от нарастващото потребление на биогорива, тъй като нивите с плодородна земя все повече се засяват не с хранителни култури (пшеница, ръж или ориз), а с рапица.
Експериментални технологии в действие
Има много проекти за зелена енергия, които имат голям потенциал, но все още се разработват. Едно от най-перспективните днес е производството на биогорива от трето поколение в резултат на преработка на специален вид водорасли с високо съдържание на масло. По своите енергийни характеристики те значително превъзхождат другите суровини. Такива водорасли не са широко разпространени в естествената им среда, но те растат много бързо в изкуствени резервоари. Основната технологична трудност обаче се крие във факта, че водораслите са много чувствителни към температурните промени - трябва да се поддържат на определено ниво без дори минимални колебания.
антиматерия
Стара мечта на учените е да получат антиматерия. Всяко вещество е изградено от частици, а антиматерията е съставена от античастици. Тези две вещества са напълно противоположни: в обикновената материя протоните в атома имат положителен заряд, а електроните имат отрицателен заряд, в антиматерията всичко е обратното - антипротони с отрицателен заряд и позитрони с положителен заряд. Частиците антиматерия и обикновената материя се унищожават при контакт - те изчезват и едновременно с това се отделя огромно количество енергия. Един тон антиматерия може да покрие годишната нужда от енергия на цялата планета.
Резервация и съхранение на електричество
Излишъкът на генерирана енергия в един момент и липсата й в друг са характерни за всички без изключение нестабилни източници - вятър, слънце, вълни и др.
На теория има доста просто решение на този проблем - използвайте батерии. Но на практика всичко е много по-сложно, отколкото изглежда на пръв поглед.
Необходимостта от използване на батерии значително увеличава цената на един мегават произведена електроенергия.
Днес оловно-киселинните, никел-металхидридните, литиево-йонните и литиево-полимерните батерии са широко използвани. Оловните киселини, най-разпространените в света, се отличават с висока EMF (електродвижеща сила) и широк диапазон от работни температури (от –40 до +40 ° С). Най-често се използват като аварийни източници на електричество. Но в полза на литиево-йонните и литиево-полимерните батерии говори техният миниатюрен размер и лекота на поддръжка. Но си струва да се отбележи, че те са предразположени към ефекта на стареенето, а жизненият им цикъл е лош.
Заключение
Въпреки значителните инвестиции в разработването на алтернативни енергийни източници, сега те покриват по-малко от 1% от глобалните човешки нужди от електроенергия. Но този показател расте стабилно всяка година поради бързо намаляващата цена на мегават електроенергия, генерирана по такива методи. В момента Китай, САЩ, Обединеното кралство и Индия инвестират най-много в развитието на чиста енергия. До 2020 г. се очаква глобалните инвестиции във възобновяема енергия да нараснат до 1,7 трилиона долара.
Днес целият свят се снабдява с електричество чрез изгаряне на въглища и газ (изкопаеми горива), експлоатацията на водните потоци и контрола на ядрените реакции. Тези подходи са доста ефективни, но в бъдеще ще трябва да ги изоставим, обръщайки се към такава посока като алтернативната енергия.
Голяма част от тази нужда се дължи на факта, че изкопаемите горива са ограничени. Освен това традиционните методи за производство на електроенергия са един от факторите за замърсяване на околната среда. Така светът се нуждае от "здравословна" алтернатива.
Предлагаме нашата версия на ТОП на нетрадиционните методи за генериране на енергия, които в бъдеще може да се превърнат в заместител на обичайните електроцентрали.
7-мо място. Разпределена енергия
Преди да разгледаме алтернативните източници на енергия, нека разгледаме една интересна концепция, която в бъдеще може да промени структурата на енергийната система.
Днес електричеството се произвежда в големи станции, предава се в разпределителните мрежи и се доставя до домовете ни. Разпределеният подход предполага постепенно отказ от централизирано производство на електроенергия... Това може да се постигне чрез изграждане на малки енергийни източници в непосредствена близост до потребител или група потребители.
Като източници на енергия могат да се използват:
- микротурбинни електроцентрали;
- газотурбинни електроцентрали;
- парни котли;
- слънчеви панели;
- вятърни турбини;
- термопомпи и др.
Такива мини електроцентрали за дома ще бъдат свързани към общата мрежа. Излишната енергия ще тече там и ако е необходимо, електрическата мрежа може да компенсира липсата на захранване, например, когато слънчевите панели работят по-лошо поради облачно време.
Въпреки това, прилагането на тази концепция днес и в близко бъдеще е малко вероятно, ако говорим за глобален мащаб. Това се дължи преди всичко на високата цена на прехода от централизирана към разпределена енергия.
6-то място. Енергия на гръмотевична буря
Защо да генерирате електричество, когато можете просто да го „хванете“ от нищото? Средно един удар на мълния е 5 милиарда джаула енергия, което е еквивалентно на изгаряне на 145 литра бензин. Теоретично, гръмотевичните електроцентрали ще намалят значително разходите за електроенергия.
Всичко ще изглежда така:станциите са разположени в райони с повишена активност на гръмотевични бури, „събират“ разряди и акумулират енергия. След това енергията се подава в мрежата. Възможно е да се хване мълния с помощта на гигантски гръмоотводи, но основният проблем остава – да се натрупа колкото се може повече мълниеносна енергия за части от секундата. На настоящия етап не може да се направи без суперкондензатори и преобразуватели на напрежение, но в бъдеще може да се появи по-деликатен подход.
Ако говорим за електричество „от нищото“, не може дори да се припомнят привържениците на образуването на свободна енергия. Например Никола Тесла едно време привидно демонстрира устройство за получаване на електрически ток от етера за управление на автомобил.
5-то място. Изгаряне на възобновяеми горива
Вместо въглища електроцентралите могат да изгарят т.нар. биогориво ". Това са преработени растителни и животински суровини, отпадъчни продукти на организмите и някои промишлени отпадъци от органичен произход. Примерите включват обикновени дърва за огрев, дървесен чипс и биодизел, който се намира на бензиностанциите.
В енергетиката най-често се използва дървесен чипс. Добива се от дърводобив или дървообработваща промишленост. След раздробяване се пресова в горивни гранули и в тази форма се изпраща в ТЕЦ.
До 2019 г. Белгия трябва да завърши изграждането на най-голямата електроцентрала, която ще работи на биогорива. Според прогнозите тя ще трябва да произвежда 215 MW електроенергия. Това е достатъчно за 450 000 жилища.
Интересен факт!Много страни практикуват отглеждането на така наречената "енергийна гора" - дървета и храсти, които са най-подходящи за енергийни нужди.
Все още е малко вероятно алтернативната енергия да се развие в посока на биогоривата, защото има по-обещаващи решения.
4-то място. Приливни и вълнови електроцентрали
Традиционните водноелектрически централи работят на следния принцип:
- Налягането на водата се подава към турбините.
- Турбините започват да се въртят.
- Въртенето се предава на генератори, които генерират електричество.
Изграждането на водноелектрическа централа е по-скъпо от ТЕЦ и е възможно само на места с големи запаси от водна енергия. Но най-големият проблем е увреждането на екосистемите поради необходимостта от изграждане на язовири.
Приливните електроцентрали работят на подобен принцип, но използвайте силата на приливи и отливи, за да генерирате енергия.
„Водните“ видове алтернативна енергия включват такава интересна област като вълновата енергия. Същността му се свежда до генерирането на електричество чрез използване на енергията на вълните на океана, която е много по-висока от приливната вълна. Най-мощната вълнова електроцентрала днес е Pelamis P-750 , който генерира 2,25 MW електроенергия.
Люлейки се по вълните, тези огромни конвектори („змии“) се огъват, в резултат на което хидравличните бутала се движат вътре. Те изпомпват масло чрез хидравлични двигатели, които от своя страна превръщат електрически генератори. Полученото електричество се доставя до брега чрез кабел, който минава по дъното. В бъдеще броят на конвекторите ще се увеличи многократно и станцията ще може да генерира до 21 MW.
3-то място. Геотермални станции
Алтернативната енергия е добре развита в геотермалната посока. Геотермалните инсталации произвеждат електричество чрез действително преобразуване на енергията на земята, или по-скоро топлинната енергия на подземните източници.
Има няколко вида такива електроцентрали, но във всички случаи те се основават на едно и също принцип на работа: пара от подземен източник се издига нагоре в кладенеца и завърта турбина, свързана с електрически генератор. Днес практиката е широко разпространена, когато водата се изпомпва в подземен резервоар на голяма дълбочина, където се изпарява под въздействието на високи температури и постъпва в турбините под формата на пара под налягане.
Зоните с голям брой гейзери и открити термални извори, които се нагряват от вулканична дейност, са най-подходящи за целите на геотермалната енергия.
И така, в Калифорния има цял геотермален комплекс, наречен " гейзери ". Обединява 22 станции, генериращи 955 MW. Източникът на енергия в този случай е магма камера с диаметър 13 km на дълбочина 6,4 km.
2-ро място. Вятърни електроцентрали
Вятърната енергия е един от най-популярните и обещаващи източници за производство на електроенергия.
Принципът на работа на вятърната турбина е прост:
- под въздействието на силата на вятъра лопатките се въртят;
- въртенето се предава на генератора;
- генераторът генерира променлив ток;
- получената енергия обикновено се съхранява в батерии.
Мощността на вятърния генератор зависи от обхвата на лопатките и неговата височина. Поради това те се монтират на открити площи, полета, хълмове и в крайбрежната зона. Инсталациите с 3 ножа и вертикална ос на въртене работят най-ефективно.
Интересен факт!Всъщност вятърната енергия е форма на слънчева енергия. Това се обяснява с факта, че ветровете възникват поради неравномерно нагряване на земната атмосфера и повърхността от слънчевите лъчи.
Не са ви необходими дълбоки инженерни познания, за да направите вятърна турбина. Така че много майстори успяха да си позволят да се изключат от общата електрическа мрежа и да преминат към алтернативна енергия.
Vestas V-164 е най-мощната вятърна турбина до момента. Той генерира 8 MW. За производството на електроенергия в индустриален мащаб се използват вятърни паркове, състоящи се от много вятърни турбини. Най-голямата е електроцентралата " Виола „Намира се в Калифорния. Капацитетът му е 1550 MW.
1-во място. Слънчеви електроцентрали (SES)
Слънчевата енергия има най-големи перспективи. Технологията за преобразуване на слънчевата радиация с помощта на слънчеви клетки се развива от година на година, като става все по-ефективна.
Идеята за използване на морските вълни за генериране на енергия не е съвсем нова: заявка за патент за вълновата мелница е подадена още през 1799 г. В края на 19 век те се научили да преобразуват кинетичната енергия на вълните в електричество - и едва през 2008 г. в Португалия е пусната първата вълнова електроцентрала. Капацитетът му беше малък - само 2,25 MW - но потенциалът на вълновата енергия беше оценен на истинската си стойност и сега подобни проекти се създават в дузина страни, включително Русия.
Според учените в бъдеще енергията на вълните ще се окаже по-изгодна от вятърната (специфичната мощност на вълните е с порядък по-висока от специфичната мощност на вятъра), а страните, съседни на моретата, ще могат да генерира до 5% от електричеството от вълни.
Енергия на вируси
Представете си, че вирусите – микроскопични вредители, които пренасят болести – могат да бъдат добър източник на енергия. Учени от Националната лаборатория Лорънс (САЩ) успяха да ги адаптират за такава употреба. Модифицираният от тях вирус бактериофаг, наречен M13, създава електрически заряд, когато докосне „заразената“ от него повърхност. С други думи, за да получите електричество от него, просто трябва да плъзнете пръста си, например, по екрана на вашия смартфон – бизнес! Вярно е, че максималният заряд, който учените успяха да постигнат от M13, беше една четвърт от батерия AAA. Това обаче беше само първият пробив в микроенергетиката: учените смятат, че нейният потенциал е много по-голям.
Биогорива от водорасли
Друго също толкова гениално решение беше използването на водна растителност като гориво. Получената по този начин енергия трудно може да се сравни по обем с енергията, получена от добив на нефт и газ, но ще може да реши проблема със замърсяването на водите, който става все по-остър в редица страни всяка година. Да кажем в Япония. Правителството на страната ежегодно отделя значителни суми за почистване на брега от водорасли - тяхната обработка поне ще възстанови похарчените пари.
Как водораслите се превръщат в гориво? Първата стъпка е да поставите събраната растителност в резервоар. След това с помощта на специални бактерии в него започва процесът на ферментация. По време на ферментацията се отделя метан, който в крайна сметка се изпраща в електрически генератор.
Както можете да си представите, енергията, получена от водораслите, не е достатъчна, за да се опитаме да я осигурим за жилищни сгради – тя обаче многократно превъзхожда енергията на всички други източници на биологично гориво и е относително лесна за получаване. Това означава, че все по-често ще се обръщат към нея.
Енергиен потенциал на Световния океан
Вълновата енергия и водораслите са само част от енергийните източници, достъпни от океана. Останалите са по-малко популярни - но не по-малко обещаващи:
Енергия на приливите и отливите. За получаването му се използват приливни електроцентрали. Подобни инсталации вече съществуват в дузина страни, включително Русия. Според учените този източник е малко по-нисък от енергията на вълните.
Енергия на токове. Можете ли да си представите колко енергия, да речем, може да генерира Гълфстрийм? И не се опитвайте: много. До момента Обединеното кралство и САЩ са ангажирани с развитието на тази посока. В САЩ, между другото, вече е разработена турбина с мощност 400 kW.
Енергия на температурния градиент на морската вода. Или просто енергия, получена от разликата между температурата на водата на повърхността и на дълбочината. Сравнително нов източник, изследван основно от САЩ. Потенциалът все още не е напълно проучен.
Осмотична енергия. Наричана още дифузионна енергия на течности, тя се произвежда при смесване на сол и прясна вода. Единствената електроцентрала от този вид е построена в Норвегия в момента.
Не забравяйте за така наречената енергия на водния поток. Нищо ново: водноелектрическите централи, които познавате, се занимават с неговото развитие.
Енергия на земните недра
Нефтът и газът не са единствената причина да се пробива земята: геотермалната енергия или енергията на вътрешността на Земята може един ден да се конкурира с тях. За получаването му се използват геотермални станции. Инсталирани близо до вулкани, такива инсталации успешно доставят енергия на Исландия, Япония, Индонезия и няколко други страни. В същото време самата магма не се използва от тях: енергията се осигурява от вряща вода като тази, която избива на повърхността в гейзерите.
Енергийният потенциал на недрата не е толкова висок, колкото този на горните източници. Но този вид енергия е подходящ за страни без излаз на море.
Енергия на синтез
Без значение колко алтернативна енергия използва естествените процеси, протичащи на планетата, най-мощният източник на енергия ще бъде изцяло създаден от човека. Това ще бъде ITER - международният експериментален термоядрен реактор, способен да възпроизведе процесите, протичащи вътре в звездите.
Първоначално стартирането на ITER беше планирано за 2016 г., но сега датите са изместени към началото на 30-те години. Освен това, свързването на инсталацията към електрическата мрежа ще бъде възможно най-много до 2040 г. Резултатът обаче си заслужава очакванията: енергията, освободена по време на термоядрен синтез, трябва да е достатъчна за няколко държави.
Те започнаха да говорят за изоставянето на добива преди няколко десетилетия. Наличните запаси от нефт, газ и въглища няма да стигнат дълго за земляните, така че енергийната ефективност трябва да се подобри. Друга причина са екологичните проблеми, които усещат всички жители на планетата. Но за да се изоставят класическите енергийни източници, е необходимо да се намери заместник за тях - ако не по-изгоден, то поне сравним по ефективност. Какво предлагат учените вместо газ, петрол и въглища?
1. Космическите слънчеви станции събират повече енергия от слънцето, отколкото наземните
Осъществяването на слънчева енергия икономично е трудно поради земната атмосфера, интензивността на слънчевото осветление е недостатъчна. Едно от решенията на проблема е да се изградят космически „слънчеви ферми“, които да събират слънчевата радиация „в чист вид“ и да предават натрупаната енергия към Земята с помощта на лазерни лъчи или микровълни. Проблемът е в цената - надвишава разумната цена. Но в бъдеще слънчевите панели ще бъдат по-ефективни, разходите за изстрелване на кораби и товари в орбита ще намалеят, а „космическите слънчеви ферми“ може да са в състояние да ни доставят енергия.
Диаграма, показваща разликата в броя на лъчите, удрящи слънчева земна станция (вляво) и космическа станция (вдясно).
Концепция за станция, която ще събира енергия от Слънцето, авторство на НАСА
2. Човешката енергия зарежда джаджи
Вече съществуват системи, които могат да бъдат заредени с мускулна сила. Но човек произвежда огромен брой движения, които - на теория - могат да бъдат трансформирани в енергия. Относително казано, сега прокарвате пръста си по екрана на смартфона "напразно" - но можете да заредите смартфона в процеса. Ако устройството може да брои броя стъпки и да реагира на движение, защо не може да се зарежда чрез движение на пръстите ви? Учените проучват този проблем, но все още няма резултати или прототипи на самозареждащи се устройства.
3. Приливите и отливите са друг източник на енергия
Има стотици компании, работещи в енергията на приливите и отливите, а енергията на вълните в някои региони се използва за практически цели. И така, в Австралия някои от инсталациите за обезсоляване са напълно снабдени с енергия поради приливите и отливите.
4. Водородът е евтин и екологичен
Преди това совалките на НАСА се захранваха с този конкретен вид гориво. Проблемът е, че въпреки че водородът е най-разпространеният елемент в космоса, той съществува на Земята само под формата на съединения. Това означава, че за да получите чист елемент, трябва да изразходвате енергия. Но след това може да се „опакова“ в горивни клетки и да се използва по предназначение. Honda, например, прави автомобили, които работят на енергия от тези "водородни клетки". Станции за зареждане с водород се строят в Калифорния (САЩ), Южна Корея и Германия.
5. Геотермална енергия – енергия от лава
Лавата произвежда 27% от енергията във Филипините и 30% от енергията в Исландия. В Исландия наскоро откриха стръмен източник на геотермална енергия - подземно магмено езеро и ефективността на производството на геотермална енергия се е увеличила 10 пъти.
Това е печеливша система, но е твърде зависима от геоложките характеристики на района. Магмата, за разлика от газа или петрола, не може да се изпомпва през тръбопровод.
6. Ядрени отпадъци – старите уранови пръти могат да се използват повторно
При проектирането на "класическа" атомна електроцентрала урановите пръти се потапят във вода и до края на експлоатационния им живот се изразходват само 5% от атомите на урана - останалите 95% се бракуват с етикет "ядрен отпадък" . Новата технология включва потапяне на пръчките в течен натрий и ще промени съотношението на използвани и неизползвани ресурси - 5% от урана ще отиде на отпадъци, а 95% ще се превърне в енергия. Освен това в такива реактори можете да използвате повторно пръти, отписани от атомни електроцентрали от предишното поколение. Hitachi вече построи нови "бързи реактори" и ги продава, но такава централа е много скъпа за изграждане. Освен това светът все още е предпазлив от атомните електроцентрали - всички си спомнят няколко големи аварии, включително катастрофата в атомната електроцентрала в Чернобил.
7. Прозрачни (прозоречни) слънчеви панели
Германия, където климатът не е твърде различен от украинския, се занимава с производство на слънчева енергия. Разходите за производство на батерии падат, докато ефективността и популярността се увеличават. Освен това учени от Лос Анджелис са измислили прозрачни слънчеви панели, които са монтирани директно върху стъклото на прозореца. Технологията е скъпа, но в следващите 2-3 години ще поевтинее достатъчно, за да бъде предложението икономически изгодно.
8. Биогорива от водорасли
За 11 години – от 2002 до 2013 г. – производството на биогорива е нараснало с около 500%. Причината е необходимостта от етанол (алкохол) и биодизел, които се добавят към горивото. Според идеята на Хенри Форд, изобретателят на съвременния автомобил, двигателят е трябвало да работи на етанол. Но тогава, точно тогава, бяха открити много нови петролни находища и то беше много евтино. Това не е най-изгодното гориво в момента, а етанолът се завръща. Проблемът с "класическото" биогориво - етанол - е, че за производството му се използват същите суровини и същите земи, както и за отглеждане на хранителни култури. Тоест енергийната индустрия започва да се конкурира с хранително-вкусовата.
Можете да решите този проблем с помощта на водорасли. Непретенциозен, бързо растящ, позволяващ лесно извличане на необходимите компоненти, а "сухите остатъци" да бъдат обработени и използвани за отглеждане на нова реколта от водорасли.
9. Летящи вятърни турбини – възраждането на старата технология
Използването на вятърна енергия е класическа технология. Но ефективността му може да се увеличи значително и енергията може да се добива по целия свят, а не само в региони с благоприятен релеф. За да бъдат „вятърните мелници“ ефективни, е необходима значителна вятърна енергия. И проблемът се решава просто: достатъчно е да се вдигне вятърната турбина на 300-600 метра над морското равнище, където въздушните потоци са по-силни и по-стабилни. Първите "летящи вятърни турбини" ще бъдат инсталирани в Аляска. Конструктивно това е дирижабъл с монтирана турбина. Ако вятърът е твърде силен, такава вятърна мелница сама "паркира" на земята. А автоматизацията ще й позволи да избере оптималната позиция в пространството.
10. Термоядреният синтез е източник на почти безкрайна енергия
Ядреният синтез е безопасен, защото за разлика от ядрения реактор, той ще свързва атомите, а не ги разделя. Има международен проект за разработване на термоядрен реактор - ITER, към който страните от ЕС (официално декларирани като цяло в рамките на този проект), както и Китай, Индия, Русия, Република Корея, САЩ , Казахстан и Япония се присъединиха. Проектът съществува от 25 години, а инженерното проектиране на техническия проект на реактора е завършено отдавна. През 2013 г. започна строителството във Франция. До 2020 г. учените планират да започнат първите експерименти с плазма.
Успоредно с това някои търговски организации провеждат свои собствени изследвания в същата посока. Ако успее, светът ще се захранва от евтина и практически безкрайна енергия.
Как да получите енергия в точното време и къде е необходима?
Бързият икономически растеж в страни като Китай и Индия означава, че световното търсене на енергия ще се увеличи с поне 50% до 2030 г. Много големи нововъзникващи икономически зони са разположени в региони, които никога не са имали инфраструктура за доставка на електроенергия. В същото време ресурсите, които традиционно се използват за производство на енергия, се изчерпват. Всичко това принуждава човечеството активно да търси нови източници на енергия – и нови начини за нейното предаване.
Основната задача е търсенето и най-ефективното използване на възобновяеми енергийни източници, както и разработването на иновативни методи за съхранение на получената енергия, позволяващи тя да се използва при липса на слънчева светлина или вятър. Важен инструмент за постигане на тази цел са интелигентните мрежи, използващи софтуер, сензори, електронни измервателни уреди и интернет. Тези компоненти ви позволяват да управлявате информацията, по-ефективно да контролирате търсенето и предлагането на енергия и да я доставяте там, където е необходимо в момента.
Материалите по-долу (видео, статия и инфографика) илюстрират значителните трансформации в енергията и как тези трансформации влияят на снабдяването на нашия свят с енергия. Това е голяма крачка напред. Промените обхващат всички аспекти, включително производство, измерване, монетизация, потребление, контрол, съхранение, търговия и пренос на електроенергия. Каква роля играят интелигентните мрежи в този процес? Като платформа 3D EXPERIENCE помага ли на компаниите да трансформират производството и доставката на енергия и да подобрят сътрудничеството и иновациите?
Вярно ли е, че идва ерата на слънчевата енергия?
Годината е 2035. Мощни слънчеви панели са инсталирани в пустините и тропиците на света, събират енергия от слънцето за генериране на електричество, което се доставя чрез модерни безжични електрически мрежи. Достатъчните енергийни резерви позволяват производството на електроенергия да продължи след залез слънце.
Милиони домове и офиси инсталират евтини, енергийно ефективни слънчеви панели и прозорци, захранвани със слънчева енергия, които генерират малко енергия през деня. Още през 2010 г. водещите световни производители, включително Audi, BMW, Toyota и Honda, разработиха устойчиви превозни средства, задвижвани с водород. Водородните горива се създават с помощта на слънчева енергия чрез разделяне на излишната вода на водород и кислород. И когато падне нощта, гигантски орбитални спътници със слънчеви панели блещукат в звездното небе, събирайки слънчева енергия ежедневно денонощно в космоса и я предават на наземни приемници с помощта на микровълни или лазерни лъчи.
Фантазия? Въобще не. Идеята за използване на слънчева енергия - един от най-важните енергийни ресурси на Земята - възниква много преди заплахата от изменението на климата и изчерпването на лесно извличаните ресурси от органично гориво. Първата слънчева батерия е създадена през 1883 г., а през 1941 г. писателят Айзък Азимов публикува разказа "Разум", в който описва космическа станция, която излъчва големи количества слънчева енергия чрез микровълнови импулси. През 1968 г. американският учен Питър Глейзър решава да сбъдне мечтите на Азимов, но плановете му не са предопределени да се сбъднат поради технологичните ограничения на времето.
Но слънчевата технология вече се използва днес, въпреки критиците, които твърдят, че световната соларна индустрия никога няма да може да реши проблемите с преноса на енергия на дълги разстояния от по-слънчеви към по-малко слънчеви региони или да създаде решения за съхранение, които позволяват генерирането на енергия след тъмно.
Например, Китай вече изгражда високоволтови електропроводи за широко разпространение на енергията, генерирана от нови слънчеви електроцентрали. Само през първите три месеца на 2015 г. тази държава добави към енергийната си система няколко слънчеви електроцентрали с мощност 5 гигавата, което се равнява на общото количество енергия, произведена в една от водещите европейски страни в тази област – Франция.
Системите за съхранение на енергия вече се използват по целия свят и успешно използват две технологии. В някои системи слънчевата енергия се използва за създаване на разтопени соли, които задържат топлината. Това осигурява достатъчно енергия за въртене на турбините на генераторите през нощта. В други електроцентрали слънчевите лъчи компресират газа, който се връща в първоначалното си състояние след тъмно и поддържа турбините да се въртят.
Гледам нагоре
Космосът е радикален отговор на въпроса как ще се генерира енергия след залез слънце, тъй като в космоса няма такива понятия като залез и зазоряване. Китай и Япония планират да пуснат първите космически електроцентрали (SBSP) през 2030 г. и те вероятно ще бъдат едни от най-големите проекти в историята. „Една икономически жизнеспособна космическа електроцентрала трябва да бъде огромна. Общата площ на нейните слънчеви панели ще бъде 5 до 6 квадратни километра“, обяснява Уанг Сиджи, академик от Китайската академия на науките.
Но защо да се строят електроцентрали в космоса? Основната причина е значително по-високата концентрация на слънчева радиация в космоса. Повече от 60% от слънчевата енергия се губи в процеса на нейното отразяване и поглъщане от земната атмосфера, а в космоса тя е налична изцяло и денонощно. „Космическите слънчеви панели могат да генерират десет пъти повече електроенергия от наземните панели със същия размер“, каза космическият инженер Дуан Баоян.
Развитието на SBSP е изпълнено със значителни предизвикателства, едно от които е необходимостта от осигуряване на свръхпрецизно предаване на мощност. В противен случай мощен блуждаещ лъч енергия може да изгори огромни повърхности на Земята. "Когато енергията се предава чрез микровълнови импулси, е много трудно потокът да се насочи така, че да удари наземен приемник. Предаването на микровълни от 36 000 км до равна повърхност с диаметър 3 км е като врязване на игла", казва Ясуюки Фукумуро. Ясуюки Fukumuro) от японската аерокосмическа агенция JAXA.
Японската корпорация Shimizu предлага още по-невероятна алтернатива - ивица от слънчеви панели с ширина 400 км, която се намира около екватора на Луната и е дълга 11 000 км. Тази енергийна система, обграждаща луната, може да генерира толкова много енергия, че всички нужди на света да бъдат задоволени за миг.
Трудностите са свързани и с поддръжката на системите в опасни космически условия и извеждането на SBSP станции в орбита. Една търговски жизнеспособна космическа електроцентрала би тежала повече от 10 000 тона, докато съвременните ракети са проектирани да носят полезен товар от малко над 100 тона.
Изграждането на станции на SBSP е изпълнено с огромни трудности, съпоставими с тези, които трябваше да бъдат преодолени през 60-те години на миналия век за хората, които първи излетяха в космоса. Тогава мнозина се съмняваха, че хората изобщо трябва да бъдат изпращани в космоса, но технологичните и научни предимства, получени след преодоляването на тези трудности, не губят значението си за съвременния свят.
Наземно дистанционно управление
Но въпреки факта, че станциите на SBSP създават платформа за развитие на нови технологии, всички те са изградени на земята и именно в това се крие истинският потенциал. Истината е, че силата на слънчевата енергия, достигаща до земната повърхност – дори в отслабена атмосфера – е в пъти по-голяма от нуждите на човечеството. През 2015 г. водещи енергийни експерти в Обединеното кралство разкриха програмата Global Apollo, твърдейки, че слънцето изпраща 5000 пъти повече енергия на Земята, отколкото хората се нуждаят в момента.
Освен това производството на електроенергия от слънчева енергия поевтинява всяка година. Цената на съвременните слънчеви панели е паднала до 1/20 от цената им преди 25 години, докато ефективността се е увеличила. Съвременните полупроводникови слънчеви панели преобразуват около 20% от цялата постъпваща слънчева светлина в електричество – три пъти повече от преди. Нови панели, направени от композити като галиев арсенид, които имат по-висока електрическа проводимост от силиция, ще постигнат още по-впечатляващи резултати. Това е въпреки факта, че ефективността на слънчевите панели е ограничена от различни физически фактори. Тези фактори включват например загубата на енергия по време на отражение и нейното частично поглъщане от проводими материали (граница на Шокли-Квайсер).
И така, защо слънчевата енергия доставя само 1% от световното търсене на електроенергия днес? Според програмата Global Apollo и доклада на MIT за 2015 г. за бъдещето на слънчевата енергия, основното ограничение не е технологията, а политическата инерция, която се поддържа главно от интересите на гигантски корпорации за изкопаеми горива. Освен това липсват инвестиции. Тези доклади показват как огромните глобални субсидии крият истинската цена на електроенергията, захранвана от изкопаеми горива, и как тези разходи са били неуспешни опити да включат разходите за елиминиране на екологичните и здравните проблеми, свързани с тези енергийни източници.
Друга причина, според Стефан Декле, вицепрезидент по енергетика, рафиниране, комунални услуги в Dassault Systèmes, е „липса на съгласуваност между законодателите, регулаторите и технологичните лидери“.
„Нашите клиенти са принудени да се адаптират към променящите се регулаторни изисквания. 3D EXPERIENCE доставчиците на слънчева енергия ще могат да демонстрират жизнеспособността и надеждността на своите решения пред множество заинтересовани страни, включително регулаторни органи, финансови институции, обществеността и медиите."
Ситуацията се усложнява от факта, че „с нарастването на дела на междинните възобновяеми енергийни източници, включително слънчевата, обемът на производството на енергия не винаги съвпада с периоди на високо търсене“, каза Декле. Като решение Declé предлага да разработи системи, които позволяват по-добър контрол на търсенето (например интелигентни мрежи) и системи, които осигуряват по-гъвкаво търсене на междинни източници, например чрез частично съхраняване на възобновяема енергия за бъдеща употреба.