Существует огромное количество различных источников энергии. В современное время больше внимания уделяют именно нетрадиционным источникам, или, как их еще называют, альтернативные. Стоит разобраться и понять, какие существуют виды и типы таких источников. В статье приведены их преимущества и недостатки, а также где и как их используют.
Понятие о традиционных источниках энергии.
Невозобновляемые (традиционные) источники – это те источники энергии, которые могут закончиться, например уголь или нефть. На данный момент, ученые всего мира ищут им замену. Использование таких ресурсов опасно. В первую очередь из-за большого выброса углекислого газа в атмосферу земли, может возникнуть парниковый эффект. Парниковый эффект является причиной глобального потепления. Традиционные источники энергии, негативно влияют на нашу окружающую среду и ведут к исчерпанию ресурсов земли. Именно поэтому стоит искать альтернативу.
К традиционным источника энергии можно отнести: нефть, уголь, природный газ, торф, уран, горючие сланцы.
Виды данного топлива созданы естественным путем, в процессе формирования планеты. Данные ресурсы находятся в недрах земли, их добыча вызывает трудности. Образование ископаемого топлива происходит при воздействии высокой температуры и давления. Потребность в данных ресурсах увеличивается с каждым днем, а их образование требует времени. Из-за этого и происходит их истощение. По этому ископаемое топливо считаются не возобновляемыми, из-за того, что ресурсы могут исчерпаться в недалеком будущем.
Каменный уголь
Сегодня с помощью угля вырабатывают около 35% энергии в мире. Мировые запасы каменного угля очень велики. Опираясь на последние оценки, промышленные запасы составляют около 910 млрд. тонн. Если сюда добавить залежи угля, разработка которых экономически невыгодна, то эта цифра возрастет примерно до 1800 млрд. тонн. Из-за быстрого темпа потребления данного ресурса, его запасы быстро закончатся, а если уголь начнут добывать в больших масштабах то он закончится, примерно к 2088 году.
Нефть
Данным видом ресурса обеспечивается примерно 40% вырабатываемой в мире энергии. На данный момент нефть это один из самых главных и наиболее удобных из современных видов топлива. К примеру бензин и дизель, применяются для легковых и грузовых автомобилей. Данное вещество широко применяется в промышленности, сельском хозяйстве, для производства красок, косметики, лекарств, красителей, удобрений, волокон, пластмасс и т.д. В трех регионах мира на Ближнем Востоке, в Африке и Латинской Америке добыча нефти превышает ее потребление. Из-за большой области применения, нефть очень быстро заканчивается. По оценкам ученых, ее запасы иссякнут, примерно через 40 лет.
Природный газ
Природный газ вырабатывает около 20% энергии мира. Нефть и природный газ схожи, потому что добыча ведется примерно из одного месторождения. Схожесть и в том, что запасы природного газа примерно точно такие же, как и нефти. Однако есть отличие в том, что природного газа хватит немного подольше — на 60 лет.
В перечисленных ресурсах мы видим их сильный недостаток, это истощение. Поэтому главной задачей в энергетике двадцать первого века это использование такой энергии, которая сможет быть возобновляемой и чистой. Её использование в полной мере может уменьшить загрязнения экологии планеты и восстановить ресурсный баланс.
Понятие об альтернативных или нетрадиционных источниках
Нетрадиционные (альтернативные) источники энергии – это неисчерпаемые ресурсы, которые можно выработать естественным путем. Такая энергия не истощается, её также характеризуют как регенеративную или зеленую.
Нетрадиционные источники несут в себе возобновляемые и не ископаемые виды энергии, например как, водород. Назначение таких источников — заменить традиционную энергию. Исследования ведутся для того, чтобы получить более выгодные и менее вредные источники энергии.
К альтернативным источникам можно отнести: использование древесины, энергию солнца, энергию ветра, геотермальные источники и их запасы, биомассу, энергию водных потоков.
Получить энергию ветра и с помощью нее производить электричество можно в тех местах, где дует постоянный ветер. Специальные турбинные установки берут энергию ветра и используют для генератора.
Биомасса — это такой материал, который сформирован из живых организмов, например из отходов или дерева. Данный материал сжигают, откуда и получают электроэнергию, или биомассу можно преобразовать в газ и также использовать в виде топлива.
Геотермальные источники — это выход на поверхность нагретого пара или воды, с помощью данного источника можно производить электроэнергию
Солнечные лучи могут также использоваться для получения и производства электричества, с помощью специальных солнечных батарей
Необходимость применения нетрадиционных источников энергии
Запасы, которые поставляют нам традиционные источники, не бесконечны. Именно из-за этого ученые ищут различные пути решения энергетического кризиса. Одно из решений — это использование чистой энергии.
Главные причины вынуждающие к переходу на альтернативные источники:
- Глобально-экологическая: использование традиционной энергетики ведет мир к глобальной экологической катастрофе, как последствие это изменение климата, которое длится уже несколько лет.
- Политическая: страна, которая освоит возобновляемые источники первой, сможет устанавливать цены на топливные ресурсы.
- Экономическая: если человечество перейдет на альтернативные источники, то это откроет возможность для распределения топливных ресурсов, что даст рост для промышленности. Цена альтернативной энергии ниже чем у электроэнергии которую получают из традиционных источников.
- Социальная: в связи с ростом численности населения становится всё сложнее найти территорию для строительства электростанций, которые были бы безопасными для окружающих.
- Эволюционно-историческая. Объем топливных ресурсов ограничен, биосфера и атмосфера страдают от их использования. Эти факторы тормозят процесс эволюции человечества. Переход на альтернативные источники энергии будет толчком к новому этапу развития.
Виды нетрадиционных источников энергии.
Солнечная энергия.
Энергия солнца несет в себе настоящую альтернативу традиционной электроэнергии. Солнце не наносит вред окружающей среде и не несет угрозы для человечества. Энергию солнца можно обуздать если использовать специальные для этого устройства — солнечные батареи
Солнечная батарея — это солнечные фотоэлектрические панели, которые обычно обозначают как (PV). Работают они по простой технологии — преобразуют солнечный свет в электроэнергию.
Преобразование в электрическую энергию
Для создания солнечных панелей используются специальные элементы, которые называют фотоэлектрическими элементами. Они принимают солнечную энергию и преобразую её в электрическую. Солнечные элементы объединяются в солнечные электростанции.
Преобразование в тепловую энергию
Чтобы получить тепловую энергию, понадобиться специальный солнечный коллектор. Коллекторы бывают вакуумные или плоские коллекторы.
При попадании солнечных лучей в коллекторе происходит нагрев жидкости. Когда жидкость достигает нужных параметров происходит ее испарение. Далее пар передает свою энергию теплоносителю и конденсируется. После того как пар сконденсировался, и отдал тепловую энергию, процесс возобновляется. Иногда процесс передачи тепла происходит без изменения фазового состояния.
Достоинства и недостатки солнечной энергетики
Достоинства:
- Установки экологически безопасны и безвредны для человека.
- Солнечная энергия считается неисчерпаемой.
- Себестоимость полученной энергии ниже в сравнении с другими ресурсами.
- Перспективы развития, связанные с производством новых материалов для получения энергии и общим развитием технологий.
Недостатки:
- Зависимость от погодных условий.
- Сезонность работы из-за поиск нужного места для расположения.
- Слишком дорогое оборудование
- Низкий КПД
Распространение нетрадиционных источников энергии в России.
Солнечная энергетика довольно быстро прогрессирует и расширяется на различные страны и континенты, Россия в этом плане не исключение.
Солнечная энергетика получает все более широкое распространение в разных странах и на разных континентах. Россия не является исключением из этой тенденции.
Огромный потенциал в развитии данного вида энергетики несут в себе южные районы России — республики Кавказа, Краснодарский и Ставропольский край, южные районы Сибири и Дальнего Востока.
Районы различаются по облучению поверхности солнечным светом, однако по состоянию на 1 января 2021 года общая мощность электростанций составляет около 250 000 МВт, в ЕЭС России входит 880 электростанций мощностью свыше 5 МВт каждая.
Геотермальная энергия.
Один из самых популярных методов получения энергии в промышленных масштабах это использовать мощный поток горячего пара и уже с помощью него раскрутить турбину генератора. При этом мы принудительно греем воду, получаем пар и т.д.
Однако, можно пойти по простому пути и просто использовать геотермальные источники в своих целях. Ведь в таких источниках вода поступает из земли уже горячей. Как раз для такого источника и существует геотермальная электростанция. Этот тип электростанций пользуются большой популярностью.
Крайне необходимо, чтобы такая электростанция обеспечивала высокий КПД и низкую стоимость энергии. Для этого нужен источник обладающий подходящей глубиной и нагревающий воду до нужной температуры, примерно 170 °C
Принцип работы довольно прост. Перегретый пар из источника поступает на турбину. В турбине пар расширяется и заставляет вращаться ротор электрического генератора, который, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию. Использование теплоты планеты для того, чтобы получить пар — называется геотермальной энергетикой.
Геотермальная электростанция:
Схема работы очень проста. По трубе из глубины поднимается перегретый пар. Он раскручивает турбину и запускает генератор, а потом улетучивается в атмосфере. Это идеальный метод работы установки. Но если из источника будут идти пароводяные смеси, вместо пара, то нужна будет специальная установка для сепарации пара.
Перед турбиной в специальном сепараторе происходит отделение воды от пара. Соответственно, пар после сепаратора направляется в турбину, а оставшаяся горячая вода отводится в скважину или в расширитель. В расширителе, из-за низкого давления, часть воды вскипает и образуется дополнительный пар, который направляется в турбину или на другие нужды.
Бывают случаи, когда температура воды из источника меньше 100 градусов. При этом у скважины большая глубина для добычи геотермальной воды. В таком случае нужно строить бинарную геотермальную станцию.
В схеме бинарной геоэлектростанции геотермальная вода поступает в специальный теплообменник. В теплообменнике происходит нагрев и испарение рабочей жидкости с низкой температурой кипения. После чего пар направляется на турбину, где совершает работу. Далее отработавший пар конденсируется и опять идет в теплообменник. В качестве рабочей жидкости используют фреон, его температура кипения около 52 градусов.
Преимущества геотермальной энергетики.
Использование тепла земли для того чтобы получить электроэнергию очень дорогой процесс. Однако, он довольно практичен по нескольким причинам:
- Возобновляемость, данный вид ресурса спокойно можно отнести к этому виду.
- Стабильность. В отличии от солнечных станций, геотермальные станций могут работать беспрерывно, если их правильно обслуживать.
- Компактность.
- Экологичность.
Недостатки геотермальной энергетики.
- Опасная рабочая жидкость, при совершении ошибки геотермальная станция может нанести вред окружающей среде.
- Высокая стоимость за киловатт.
- Низкая мощность, от такого вида станции электричества хватит лишь для небольшого населенного пункта.
Геотермальные источники в России.
Центральный регион, Северный Кавказ, Дагестан, Сибирь, зона Байкальского рифта, Красноярский край, Чукотка, Сахалин, полуостров Камчатка и Курильские острова несут в себе огромные запасы геотермальной энергии. Необходимость использования таких источников в основном нужно для снабжения северной части России. Из-за холодного климата в нашей стране мы должны отапливать города и на это уходит более 45% от общего объема энергоресурсов. Геотермальная электроэнергетика в развитии должна будет появится в Краснодарском крае, Калининградской области и на Камчатке.
Один из регионов перспективен для прямого использования (Камчатка и Курильские острова). Этот регион находится в местоположении где стоят активные вулканы. В России на данный момент обнаружено 66 скважин термальной воды и пара. Половина из таких источников в эксплуатации и обеспечивают примерно 1,5 млн Гкал тепла в год. Это равно почти 300 тысяч тонн условного топлива.
Ветровые электростанции.
Ветряные электростанции — это специальный ветрогенератор, с помощью которого вырабатывается электроток. Сам ветрогенератор использует при этом энергию ветра.
Существуют как крупные, так и мелкие ветровые электростанции. Все они состоят из ветрогенераторов, которые соединены в общую сеть и питают как целые города, так и отдельные регионы.
Мелкие ветровые электростанции могут обеспечивать небольшой дом или жилой массив.
Ветровые электростанции могут различаться по некоторым признакам. По функциональности они бывают мобильными и стационарными. По расположению: наземные, воздушные, прибрежные. По типу конструкции: крыльчатные и роторные.
Самые популярные станции это крыльчатные, именно они более эффективны и производят большое количество электричества, однако встречаются данные установки не так часто.
Принцип работы
Смотря какая будет установка, такой и будет принцип действия, например лопастные, сильно отличаются от роторных.
Роторные электрические станции имеют вертикальное расположение с вращающейся осью. Такие станции более удобны в пользовании, в отличии от лопастных станций. Во время работы они не сильно шумят и не зависят от направления ветра. Но данные установки имеют низкую производительность и получают электроэнергию исключительно для мелких сооружений, например для частных домов.
Лопастные ветряные электростанции мощнее чем роторные. Они способны преобразовать больше ветровой энергии в электрическую. При этом их необходимо поставить на прямое направление ветра.
У всех ветрогенераторов один принцип работы:
- Вращение лопастей происходит из-за потока ветра.
- Под действием этого начинает работать ветрогенератор, из-за чего и образуется электрический ток.
- Происходит зарядка аккумуляторного блока,
- Специальные инверторы преобразуют постоянный электроток в переменный.
- Энергия уходит потребителю.
При этом крайне необходимо создать общую сеть, дабы обеспечить электроэнергией большое количество людей.
Преимущества и недостатки ветряных электростанций.
Преимущества:
- Нет необходимости в ископаемых ресурсах.
- Ветер — возобновляемый ресурс.
- Экологичность.
Недостатки:
- Неравномерность ветра.
- Сильный шум.
- Низкий КПД.
- Дорогое обслуживание и стоимость оборудования.
- Многие электрические станции попросту не окупаются.
Ветровые электростанции в России:
Очень аккуратно Россия осваивает ветровую энергию, в этом плане мы сильно отстаем от других стран. Однако в стране есть некоторые ветряные станции, которые имеют высокие показатели выработки. Например, одна из таких это Кочубеевская ВЭС. На данный момент это одна из самых мощных ветряных станций в России. Эта электростанция включает в себя 84 установки, по 2,5 МВт каждая. Работает эта станция уже 2 года была запущена в Ставропольском крае. Имея общую мощность 210 МВт планируется, что в год Кочубеевская ВЭС будет вырабатывать порядка 597 млн кВт*ч. Основные регионы, обладающие ветровыми электростанциями:
- Кочубеевская ВЭС,
- Каменско-Красносулинская ВЭС,
- Адыгейская ВЭС,
- ВЭС Гуково-1,
- Азовская ВЭС
- Береговая ВЭС,
- Ульяновская ВЭС-2,
- Ульяновская (Симбирская) ВЭС,
- Останинская ВЭС,
- Наримановская ВЭС.
Нобходимость в таких станциях испытывают удалённые регионы, а именно те, которые не входят в централизованное снабжение. Однако, в целом, Россия неохотно использует область ветроэнергетики, по причине энергоизбыточности.
Заключение
Есть необходимость перехода от традиционных источников энергии к возобновляемым или нетрадиционным. Это обусловлено множеством плюсов и малым количеством недостатков в использовании. Чем весь мир сейчас и занимается, включая Россию. Однако, традиционные электрические станции в России справляются с своей задачей и производят огромное количество электроэнергии. Поэтому наша страна пока что только начинает делать первые шаги в мир нетрадиционных источников.
