Возобновляемая энергетика

До XVII века как основной источник энергии использовалась древесина. Затем распространение получил уголь, а в ХХ веке основными энергетическими ресурсами стали нефть и газ. Альтернативная энергетика стала быстро развиваться с начала ХХI в. — сейчас на неё приходится около 5% всей потребляемой энергии в мире.

Возобновляемые источники могут обеспечить огромное количество энергии и окружают нас повсюду. Примеры таких постоянно пополняемых источников — солнечный свет и ветер.

На формирование противоположных невозобновляемых ресурсов — ископаемых видов топлива (угля, нефти, газа) — уходят сотни миллионов лет, а при их сжигании происходят выбросы вредных парниковых газов.

Использование альтернативных источников энергии напрямую связано с рациональным природопользованием, так как позволяет экономить невозобновляемые природные ресурсы и снижать антропогенное воздействие на окружающую среду.

Переход от ископаемых видов топлива, на которые в настоящее время приходится большая доля выбросов, к возобновляемым источникам энергии имеет ключевое значение для преодоления климатического кризиса.

По данным 2019 г. Международного энергетического агентства использование различных видов топлива имеет такое распределение:

То есть на альтернативную энергетику приходится чуть больше трети мирового производства электроэнергии. 

Сейчас возобновляемые источники энергии являются даже более дешевой альтернативой в странах с подходящими природными условиями и создают втрое больше рабочих мест, чем традиционная энергетика. В 2020 г. доля возобновляемых источников энергии составила 40% от общего объёма производства в Европе, а выработка электроэнергии на основе ископаемого топлива упала на 18%. К 2030 году количество стран ЕС, в которых не будет угольной генерации, достигнет 21.

Альтернативная энергетика

Солнечная энергия

Преимущества и особенности:

• самый крупный источник энергии на Земле

• количество поступающей солнечной радиации больше примерно в 20 тыс. раз мирового потребления энергии

• может обеспечивать тепло, охлаждение, естественное освещение, электричество и топливо для множества применений

• солнечный свет преобразуется в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических панелей или зеркал, накапливающих солнечное излучение

• один из наиболее дешёвых способов получения электроэнергии на данный момент, а срок службы солнечных панелей — около 30 лет

• может извлекаться на малой территории, особенно перспективна для стран тропического пояса

• наиболее развита в США и Франции

Недостатки:

• стоимость производства солнечных панель (не везде наблюдается ее понижение и повышение доступности установок)

• выброс парниковых газов и химических соединений при производстве панелей

• зависимость от погодных и климатических условий 

• необходимость в выделении большой площади для установок

Космическая солнечная энергия

Преимущества и особенности:

• энергия Солнца собирается с устройств в космическом пространстве и используется либо для питания того же устройства/ космической станции, либо транспортируется на Землю

• производство такой энергии может происходить непрерывно (в отличие от дневного и ночного циклов солнечных батарей на Земле)

• большая эффективность, так как нет влияния атмосферы, которая поглощает и рассеивает 30-50% солнечного излучения

Ветровая энергия

Преимущества и особенности:

• преобразование кинетической энергии движущегося воздуха с помощью ветряных турбин, расположенных на суше (наземные ветроэлектростанции) или в морской/ пресной воде (морские/ прибрежные ветроэлектростанции)

• 2 место по скорости роста использования после гелиоэнергетики

• целесообразна для территорий с постоянными и сильными ветрами — побережья Северного, Балтийского, арктических морей

• активно развивается в США, странах Европы (Франция, Германия, Дания, Нидерланды) и др.

Недостатки:

• колебания в объёме выработки энергии из-за погодных условий

• шумовое загрязнение турбинами

• опасность для птиц, особенно в миграционный период

Геотермальная энергия

Преимущества и особенности:

• использование энергии недр Земли на территории с естественным выходом горячего пара и термальных вод температурой 80-100С

• получение тепла из геотермальных резервуаров посредством бурения скважин или иными способами

• ГеоТЭС не нуждается в дополнительном топливе для своего функционирования

• при расположении ГеоТЭС на побережье может использоваться для опреснения воды (дистилляция воды за счёт нагревания и охлаждения пара в ходе работы ГеоТЭС)

• сейчас в мире используется лишь 15% известных запасов геотермальной энергии

• основные регионы распространения: гейзеры Исландии и Камчатки, западные регионы США, Мексики, Италии, Новой Зеландии, Япония

Недостатки:

• высокие начальные расходы на проведение геологоразведочных работ и риск неудачи на этапе разведки, что препятствуют широкомасштабному использованию этого ресурса 

• нестабильность работы из-за естественных изменений в земной коре

• риск загрязнения атмосферы вредными веществами при отсутствии использования фильтров

Гидроэнергетика

Преимущества и особенности:

• использует энергию воды, возникающую при перепаде высоты при работе ГЭС на горных реках или при строительстве каскада ГЭС

• гидроэлектростанции на водохранилищах задействуют запасы воды в них, а русловые ГЭС используют энергию доступного речного стока

• водохранилища для ГЭС, кроме энергоснабжения, также обеспечивают питьевую воду и воду для орошения, возможность бороться с засухами, иногда служат как рекреационные ресурсы

• работа ГЭС не сопровождается выделением токсичных газов и химических веществ, не загрязняет почву

• производительность ГЭС контролируется при изменении скорости водного потока (объём воды, подводимый к турбинам)

Недостатки:

• зависимость от стабильных режимов распределения осадков, поэтому может подвергаться негативному воздействию засух или других изменений в экосистемах, влияющих на объём речного стока

• затопление прилегающих к водохранилищам земель, вывод плодородных участков из хозяйственного оборота; разрушение или авария плотины большой ГЭС приводит к масштабному наводнению

• сильное преобразование естественных ландшафтов при сооружении ГЭС в равнинных районах

• влияние на водные организмы (плотина нарушает нормальное течение реки, что снижает уровень растворённого в воде кислорода, препятствует миграции и нересту рыб)

• некоторое количество тепла, образующегося из-за трения турбин, передается водной среде, но это количество редко бывает большим

Энергия приливов и отливов

Преимущества и особенности:

• особый вид ГЭС, работа которых использует энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли

• приливные электростанции строят на берегах, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды; сами колебания могут достигать 18 м

• ПЭС, как и обычные ГЭС, не производят угарного газа (СО), углекислого газа (СО2) и окислов азота и серы, пылевых загрязнителей и других токсичных отходов, не загрязняют почву; тепловое загрязнение воды также незначительно

• приливные плотины могут также использоваться для строительства железной или автомобильной дороги через залив или лиман

• срок службы турбин составляет не менее 30 лет, а сложного технического обслуживания они также не требуют

• донные турбины целиком находятся под водой, поэтому на достаточной глубине не представляют угрозу для морского транспорта

Недостатки:

• высокие затраты на строительство приливной плотины, а также сложность строительства донных турбин у сильно изрезанных берегов

• приливные ГЭС могут оказывать негативное влияние на морскую флору и фауну, представляя риск попадания организмов под лопасти турбины

• риск затопления прилегающих территорий при строительстве и эксплуатации приливной ГЭС 

Биоэнергетика

Преимущества и особенности:

• использование отходов растительного и животного происхождения для производства электроэнергии

• использование различного сырья: отходы древесины, солома, кукурузная шелуха и т. д. и нескольких видов биотоплива — твёрдого (щепа, пеллеты из древесины, брикеты), жидкого и биогаза путём ферментации и других химических реакций

• новые растения как один из источников сырья поглощают углекислый газ из атмосферы, что компенсирует его поступление при сжигании биотоплива

• количество токсичных выбросов также ниже, чем при использовании традиционного природного топлива (угля, нефти, газа)

• крупные электростанции на биотопливе способны работать непрерывно

• некоторые растения (например, сорго) как источники древесной биомассы способствуют снижению эрозии и создают среду обитания для животных

Недостатки:

• выбросы парниковых газов при сжигании биомассы, но в меньших объёмах, чем при сжигании ископаемых видов топлива

• вырубка лесов, выделение территорий под выращивание сырья 

• потребление энергии от менее экологичных источников при транспортировке биомассы к компостным заводам или топкам

• риск размножения и распространения болезнетворных микроорганизмов при производстве биогаза путем компостирования

Водород как вид топлива

Водород — наиболее распространённый элемент в космосе. Теплота его сгорания максимальная, а продукт сгорания в кислороде — вода, которая также вводится в оборот водородной энергетики. 

Водородная энергетика относится к альтернативной энергетике, если производство энергии осуществляется с помощью возобновляемых источников энергии.

По экологичности водородной энергетики выделяют 5 типов:

На переработку угля приходится 18% производства водорода, «зелёный» водород составляет лишь 4%, а 78% получаемого водорода — путём переработки природного газа и нефти. На данный момент разрабатываются ещё различные методы получения водорода как топлива — из вторичного сырья, этанола, металлургического шлака, биомассы и др.

Преимущества:

• водород может использоваться в авиа-, морских и грузовых перевозках на дальние расстояния

• водород можно производить из возобновляемых источников и хранить в больших количествах

• водород содержит почти втрое больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для совершения одной работы его требуется меньше

• водород — способ хранения избытка электроэнергии из ВИЭ до сжигания для выработки электроэнергии в нужный момент

Недостатки:

• высокая стоимость выработки «зелёного» водорода

• водород огнеопаснее в воздухе и при трещинах в баках хранения может привести к катастрофе, но может быстро рассеиваться в атмосфере

• сложности транспортировки и эксплуатации водорода, так как в заданном объёме его помещается значительно меньше, чем других видов топлива

Ядерная энергия

Производство электрической и тепловой энергии путём цепной реакцию деления ядер урана и плутония:

1. деление атомного ядра при попадании на него нейтрона  

2. получение новых нейтронов и осколков деления с высвобождением тепловой энергии

3. нагрев воды, образование водяного пара

4. водяной пар приводит в движение турбину, соединенную с генератором, который производит энергию  

5. водяной пар сжижается для повторного использования воды

Преимущества:

• добыча урана и производство топливных элементов ведут к выбросам парниковых газов, но в меньшем количестве, чем при сжигании ископаемого топлива

• ядерные отходы состоят на 95% из урана и на 1% из плутония, которые могут повторно использоваться; на утилизацию остается 4%

Недостатки:

• риск аварий на АЭС с разрушительными последствиями для окружающей среды и местных жителей

• сложности подготовки радиоактивных отходов для их безопасного захоронения, риск утечки, их большое количество при масштабной работе АЭС

Использование вторичного сырья

Ежегодно в России образуется:

• 55-60 млн тонн твердых коммунальных отходов (ТКО)

• более 300 млн м3 отходов с предприятий деревообрабатывающей промышленности

• более 700 млн тонн органических отходов агропромышленных комплексов

• утилизировать отходы, не подлежащие переработке

• сокращать площади территорий, отчуждаемых под захоронение или складирование отходов

• экономить ресурсы ископаемого топлива, снижать затраты на него

• сохранять и восстанавливать почвенные ресурсы территорий для захоронения отходов

• снижать выбросы метана, выделяемого при разложении отходов на свалках, и СО2 при замещении ископаемого топлива углерод-нейтральной биомассой

Самые распространенные виды топлива из отходов:

• древесные: природная древесина, кора, щепа, промышленная древесина, опилки, фанера

• отходы с/х: лузга подсолнечника, рисовая шелуха, кукурузные початки, солома, куриная подстилка

• городские отходы: иловые осадки, RDF-топливо — твёрдое восстановленное топливо, получаемое из сортированных коммунальных отходов, включая пластик, бумагу, органические отходы и т. д.

По данным 2018 г. лидеры по производству энергии из вторичного сырья: Финляндия (57%), Швеция (53%), Дания (51%) и другие европейские страны.

Недостатки:

• возможное нарушение системы сортировки отходов ведёт к попаданию непригодных отходов на мусоросжигательный завод

• затраты на строительство и эксплуатацию мусоросжигательных заводов выше, чем при создании свалок

• образующийся дым хоть и проходит этап очистки, но часть токсичных веществ и парниковых газов (углекислый газ, диоксины, канцерогены, пыль, тяжёлые металлы и оксид азота) загрязняет атмосферу; зола также содержит ряд ядов и тяжёлых металлов, которые могут нанести вред окружающей среде

• отсутствие решения самой проблемы образования большого количества отходов — сжигание не способствует вторичной переработке и сокращению отходов

• снижение качества жизни населения, размещенного вблизи мусоросжигательного завода