5.1: Вступ

Цілі навчання

До кінця цієї глави учні повинні вміти.

• Опишіть аргументи на користь альтернативної енергетики
• Поясніть наступні аспекти сонячної енергетики:
  • Як працює пасивна сонячна енергія і наведемо приклади її використання.
  • Як працюють сонячні батареї (фотоелектричні елементи).
  • Обмеження та екологічні витрати, пов'язані з сонячною енергією.
• Поясніть наступні аспекти біопалива/енергії біомаси:
  • Опишіть, що мається на увазі під терміном «вуглецева нейтральна», і поясніть, як енергія біомаси може і не може бути вуглецево-нейтральною.
  • Охарактеризуйте сучасні досягнення в галузі біопалива та потенціал цієї галузі для зростання.
• Опишіть енергію вітру і поясніть переваги та недоліки.
• Опишіть геотермальну енергію та поясніть переваги та недоліки
• Охарактеризуйте гідроелектроенергію, переваги та недоліки

Джерела енергії, які більш-менш постійно доступні в терміни, корисні для людей, називаються відновлюваними джерелами енергії. Поновлювані джерела енергії часто вважаються альтернативними джерелами, оскільки в цілому більшість промислово розвинених країн не покладаються на них як на основне джерело енергії. Натомість вони, як правило, покладаються на звичайні джерела енергії, такі як викопне паливо або ядерна енергія, які є невідновлюваними. Через енергетичну кризу в Сполучених Штатах протягом 1970-х років зросло скорочення поставок викопного палива та небезпеки, пов'язані з атомною енергією, використання відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна енергія, гідроелектроенергія, вітер, біомаса та геотермальна енергія. Відновлювана енергія надходить від сонця (вважається «необмеженим» запасом) або інших джерел, які теоретично можна відновити принаймні так само швидко, як вони споживаються. Якщо використовувати їх зі стійкою швидкістю, ці джерела будуть доступні для споживання протягом тисяч років або довше. Відновлювані альтернативи походять від вітру, води, сонячної енергії або біомаси (рис.\(\PageIndex{1}\)). Відзначимо, що джерела енергії вітру, води та біомаси є непрямими джерелами сонячної енергії. Одне обмеження, пов'язане з більшістю форм відновлюваної енергії, полягає в тому, що енергія не концентрована і не легко переноситься.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Різноманітні джерела напруги (за годинниковою стрілкою зверху ліворуч): вітроелектростанція Brazos у Флуванні, штат Техас (кредит: Leaflet, Wikimedia Commons); Красноярська гребля в Росії (кредит: Алекс Полежаєв); сонячна ферма (кредит: Міністерство енергетики США); і група нікелевих металгідридних акумуляторів (кредит: Тіана Монто). Вихідна напруга кожного залежить від його конструкції і навантаження, і дорівнює ЕРС тільки в тому випадку, якщо немає навантаження.

Енергія є важливим компонентом на всіх етапах життя суспільства. Ми живемо у дуже взаємозалежному світі, і доступ до адекватних і надійних енергетичних ресурсів має вирішальне значення для економічного зростання та підтримки якості нашого життя. Однак нинішні рівні споживання та виробництва енергії не є стійкими через велику залежність від невідновлюваних джерел енергії. Основні енергетичні ресурси, що використовуються в світі, наведені на рисунку\(\PageIndex{2}\). Паливна суміш змінювалася протягом багатьох років, але зараз переважає нафта, хоча внесок природного газу та сонячної енергії збільшується. Близько 80% нашої енергії надходить з невідновлюваних викопних палив і ядерних. Зв'язок між глобальним потеплінням та використанням викопного палива з його виробництвом вуглекислого газу шляхом спалювання зробив, в очах багатьох вчених, перехід на невикопне паливо надзвичайно важливе - але це буде непросто. Близько 40% світової енергії надходить з нафти, і значна частина цього йде на транспортне використання.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Світове споживання енергії за джерелами, 2013 р., у відсотках. Зверніть увагу, що коли всі форми енергії біомаси об'єднуються, біомаса становить найбільшу частку відновлюваної енергії, що використовується у всьому світі. Джерело: Вікісховище - За Delphi234 - Власна робота, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/inde...curid=33567170

5.1.1: Світові зростаючі потреби в енергії

Світове споживання енергії продовжує зростати, особливо в таких країнах, як Китай, де економіка покращується. Світовий попит на енергію збільшився втричі за останні 50 років і може знову потроїтися протягом наступних 30 років (рис. 5.1.3). Хоча значна частина цього зростання буде надходити від швидко зростаючих економік Китаю та Індії, багато промислово розвинених країн, особливо країн Європи, сподіваються задовольнити свої енергетичні потреби шляхом розширення використання відновлюваних джерел. Хоча зараз лише невеликий відсоток, відновлювана енергетика зростає дуже швидко, особливо вітроенергетика. Наприклад, Німеччина планує задовольнити 20% своєї електроенергії та 10% загальних потреб у енергії за допомогою відновлюваних ресурсів до 2020 року. Енергетика є ключовим стримуванням у швидкому економічному зростанні Китаю та Індії. У 2003 році Китай перевершив Японію як другий за величиною світовий споживач нафти. Однак понад 1/3 цієї олії імпортується. На відміну від більшості західних країн, вугілля домінує в комерційних енергетичних ресурсах Китаю, що становить 2/3 його енергоспоживання. У 2009 році Китай перевершив США як найбільший випромінювач CO ₂. В Індії основними енергетичними ресурсами є біомаса (деревина і гній) і вугілля. Половина нафти Індії імпортується. Близько 70% електроенергії Індії виробляється сильно забруднюючим вугіллям. Тим не менш, у відновлюваній енергетиці досягаються значні кроки. Індія має швидко зростаючу вітроенергетичну базу, і вона має найбільшу програму приготування сонячної енергії у світі. Хоча домінують невідновлювані джерела, деякі країни отримують значний відсоток своєї електроенергії з відновлюваних ресурсів. Наприклад, близько 67% попиту Нової Зеландії на електроенергію задовольняють гідроелектростанції. Поновлювані ресурси, насамперед гідроелектростанції, генерують лише 10% електроенергії США.

Рисунок\(\PageIndex{3}\): (а) Минуле та прогнозоване світове використання енергії (джерело: На основі даних Адміністрації енергетичної інформації США, 2011). (b) Сонячні батареї на електростанції в Штайндорфі, Німеччина (кредит: Michael Betke, Flickr).

5.1.2: Навіщо використовувати відновлювані джерела енергії?

Більшість відновлюваних джерел енергії, включаючи сонячну енергію, вітер, воду та біомасу, можуть бути прямо або опосередковано віднесені до сонця. Той факт, що сонце буде продовжувати горіти ще 4-5 мільярдів років, робить його невичерпним як джерело енергії для людської цивілізації. Завдяки відповідній технології відновлювані джерела енергії дозволяють здійснювати локальний децентралізований контроль над владою. Будинки, підприємства та ізольовані громади можуть використовувати такі джерела, як сонячна енергія, для виробництва електроенергії, не перебуваючи поблизу електростанції та не підключаючись до мережі. Це усуває такі проблеми, як розливи, пов'язані з видобутком та транспортуванням викопного палива, яке необхідне для постачання цих викопних палив у ті райони, яких бракує. Більшість відновлюваних джерел енергії не забруднюють повітря викидами парникових газів та іншими забруднювачами повітря, пов'язаними з викопним паливом. Це особливо важливо в боротьбі зі зміною клімату.