8.4: Джерела енергії та носії

Електрика

Вступ

За останні півтора століття електроенергія виникла як популярний і універсальний енергоносій. Зв'язок був раннім широко використовуваним для електроенергії після введення телеграфу в 1840-х роках. У 1870-х і 1880-х роках електродвигуни і ліхтарі приєдналися до телеграфу як практичні електричні пристрої, а в 1890-х роках стали з'являтися системи розподілу електроенергії, провісники сьогоднішньої електромережі. Телеграф став бездротовим з винаходом радіо, продемонстрованого в лабораторії в 1880-х роках і для трансатлантичного зв'язку в 1901 році. Сьогодні електроенергія використовується не тільки для її різноманітних цілей, таких як освітлення, рух, охолодження, зв'язок та обчислення, а й як основний носій енергії. Електроенергія є однією з двох магістралей сучасної енергетичної системи (рідке транспортне паливо - інше), що несе енергію високої щільності на короткі та великі відстані для різноманітного використання. У 2009 році електроенергія споживала найбільшу частку первинної енергії Сполучених Штатів, 38 відсотків, з транспортом близько другого - 37 відсотків (EIA Annual Energy Review, 2009). Ці два сектори також становили найбільші частки викидів вуглецю в США, 38 відсотків для електроенергії та 33 відсотки для транспорту (EIA Annual Energy Review, 2009). \(\PageIndex{1}\)На малюнку показано зростання електроенергії як енергоносія з 1949 року і зростаючий спектр її використання.

Рисунок\(\PageIndex{1}\) Сполучені Штати електроенергії Чиста генерація з 1949 року і використовує Зростання виробництва електроенергії в США з 1949 року та деякі його використання. Джерело: G. Crabtree, використовуючи дані щорічного енергетичного огляду EIA 2009, Таблиця 8.2a, стор 230; Фелікс О, США CPSC, Джо Мейбл, Марчін Вічарі, Самбой, Ендрю, Ян Айналі, Lovelac7

Малюнок Електричний енергетичний ланцюг показує ланцюг електричної енергії від покоління до використання. На сьогоднішній день більшість електроенергії виробляється спалюванням викопного палива для перетворення парових або газових турбін. Це найменш ефективний крок в енергетичному ланцюзі, перетворюючи лише 36 відсотків хімічної енергії в паливі в електричну енергію, якщо усереднити над теперішньою сумішшю генерації газу та вугілля. Він також виробляє всі викиди вуглецю електричного ланцюга. Крім виробництва, електроенергія є надзвичайно чистим та ефективним носієм. Перетворення з обертального руху турбіни та генератора в електрику, подача електроенергії через електромережу та перетворення в рух в двигуни для використання в промисловості, транспорті та холодильній техніці може бути більш ніж на 90 відсотків ефективними. Жоден з цих кроків не виробляє викидів парникових газів. Саме пост-виробнича універсальність, чистота та ефективність електроенергії роблять її основним енергоносієм на майбутнє. Виробництво електроенергії, засноване на відносно великій кількості вітчизняного вугілля та газу, не викликає негайних проблем із безпекою палива. Поява електромобілів обіцяє збільшити попит на електроенергію та зменшити залежність від іноземної нафти, тоді як зростання відновлюваної енергії вітру та сонячної генерації зменшує викиди вуглецю. Першочергові проблеми сталого розвитку електроенергії як енергоносія знаходяться на етапі виробництва: ефективність та викиди вуглекислого газу та токсинів.

Рисунок\(\PageIndex{2}\) Електрична енергетична ланцюг Графік показує ланцюг електричної енергії від покоління до використання. Джерело: Г. Крабтрі

Електромережа: потужність та надійність

Окрім виробництва, електроенергія стикається з проблемами потужності, надійності та впровадження зберігання та передачі, необхідних для врахування віддаленості та мінливості відновлюваних джерел енергії. Найбільші проблеми з пропускною спроможністю виникають у міських районах, де проживає 79 відсотків Сполучених Штатів та 50 відсотків світового населення. Висока щільність населення міських територій вимагає відповідно високої щільності енергії та електроенергії. У Сполучених Штатах 33 відсотки електроенергії використовується в 22 найбільших районах метро, а попит на електроенергію, за прогнозами, зросте на 31 відсоток до 2035 року (річний прогноз енергетики, 2011). Це створює «вузьке місце міської влади», де підземні кабелі стають насиченими, перешкоджаючи економічному зростанню та ефективності масштабу транспорту, використання енергії та викидів парникових газів, що мають високу щільність населення (Owen, 2009). Насичення існуючої кабельної інфраструктури вимагає встановлення значної нової потужності, дорогої пропозиції для риття нових підземних кабельних тунелів.

Малюнок\(\PageIndex{3}\) Надпровідні підземні кабелі Надпровідні дроти праворуч несуть той же струм, що і звичайні мідні дроти зліва. Надпровідний кабель, намотаний з цих проводів, переносить до п'яти разів струм звичайних мідних кабелів. Джерело: Люб'язно, Американська корпорація надпровідників

Надійність електромережі представляє другий виклик. Мережа Сполучених Штатів постійно зростала від витоків на початку 20 століття; значна частина її інфраструктури базується на технології та філософії дизайну, починаючи з 1950-х та 1960-х років, коли основною проблемою було поширення електрифікації на нові сільські та міські райони. За межами міських районів сітка знаходиться переважно над землею, піддаючи її впливу погодних та температурних перепадів, які спричиняють більшість перебоїв у електроенергії. Реакція на відключення є надзвичайно повільною і традиційною - комунальні послуги часто спочатку сповіщають про відключення через телефонні скарги клієнтів, і відповідь вимагає відправки екіпажів для виявлення та усунення пошкоджень, так само, як ми це робили 50 років тому. Надійність мережі Сполучених Штатів значно нижча, ніж для нових мереж Європи та Японії, де типовий клієнт відчуває в десять - 20 разів менше часу відключення, ніж у США. Надійність особливо важлива в цифрову епоху, коли переривання навіть частки циклу може вимкнути цифровий центр обробки даних або виробничу лінію, що вимагає годин або днів для перезапуску.

Питання надійності можуть бути вирішені шляхом впровадження інтелектуальної мережі з двостороннім зв'язком між комунальними компаніями та клієнтами, яка постійно контролює подачу електроенергії, робочий стан системи доставки та реалізує заходи реагування на попит, регулюючи потужність, що постачається окремим клієнтам у відповідно до раніше встановленого унікального протоколу клієнта. Така система вимагає встановлення цифрових датчиків, які відстежують потоки електроенергії в системі доставки, цифрові технології прийняття рішень та управління та можливості цифрового зв'язку, як це вже стандартне для зв'язку через Інтернет. Для клієнтів, які мають можливість сонячної генерації на місці, розумна сітка контролюватиме та контролюватиме продаж надлишкової енергії від замовника до комунального підприємства.

Малюнок\(\PageIndex{4}\) ілюструє особливості двостороннього зв'язку смарт-сітки. Звичайна сітка у верхній панелі надсилає енергію в одну сторону, від генеруючої станції до замовника, записуючи, скільки енергії залишає генератор і надходить до замовника. У розумній мережі безперервно контролюється потік електроенергії не тільки на генераторі та замовнику, але і в кожній точці з'єднання між ними. Інформація про потік електроенергії в режимі реального часу надсилається через Інтернет або іншу спеціальну мережу до комунального підприємства та замовнику, що дозволяє приймати рішення в режимі реального часу про додавання генерації для задоволення змін навантаження, відкриття автоматичних вимикачів для перенаправлення електроенергії в разі відключення, зниження потужності, що подається замовнику. під час пікових періодів, щоб уникнути перебоїв (часто їх називають «реакцією на попит») та відстеження зворотних потоків електроенергії для клієнтів із власною сонячною або іншою потужністю генерації. Звичайна електромережа була спроектована в середині минулого століття, щоб задовольнити просту потребу в подачі електроенергії в одному напрямку. Включення сучасних засобів зв'язку та управління в стилі Інтернету може вивести електромережу на якісно новий рівень можливостей та продуктивності, необхідних для розміщення локальної генерації та забезпечення більш високої надійності.

Малюнок\(\PageIndex{4}\) Smart Grid Додавання можливості моніторингу та спілкування в режимі реального часу, як та, що використовується в Інтернеті, додасть «розумну» роботу електромережі. Джерело: Національний інститут стандартів і технологій

Інтелектуальні компоненти, включені по всій мережі, зможуть виявляти струми перевантаження та відкривати вимикачі, щоб переривати їх швидко та автоматично, щоб уникнути зайвих пошкоджень та викликати каскад відключення ефекту доміно на широких ділянках, як це сталося в Північно-Східному затемненні 2003 року. Для максимальної ефективності такі розумні системи вимагають швидкої автоматичної реакції на мілісекундних часових шкалах, порівнянних з часом циклу сітки. Навіть простий цифровий зв'язок відповідає цій вимозі, але багато хто з компонентів сітки самі не можуть реагувати так швидко. Наприклад, звичайні механічні автоматичні вимикачі займають багато секунд, щоб відкрити і набагато довше закрити. Такі тривалі рази збільшують ризик небезпечних струмів перевантаження, що пошкоджують мережу або поширюють каскади. Поряд з цифровим зв'язком, нова технологія вимикача, така як технологія, заснована на швидких, самовідновлюваних надпровідних обмежувачах струму несправності, необхідна для приведення роботи електромережі в сучасну епоху.

Інтеграція відновлюваної електроенергії в мережу

Однією з найбільш нагальних проблем, що стоять перед мережею, є одним з найбільш актуальних проблем, що стоять перед мережею. Лідерство у просуванні відновлюваної електроенергії перейшло від федеральних до урядів штатів, багато з яких законодавчо закріпили стандарти портфеля відновлюваних джерел (RPS), які вимагають, щоб 20 відсотків державного виробництва електроенергії були відновлюваними до 2020 року. 30 штатів та округ Колумбія мають такі вимоги, найбільш агресивними є Каліфорнія з 33 відсотками відновлюваної електроенергії, необхідної до 2020 року, і Нью-Йорк з 30 відсотками до 2015 року. Щоб поставити цю юридичну вимогу в перспективі, вітер та сонячна енергія зараз становлять близько 1,6 відсотка виробництва електроенергії в США; приблизно в десять разів менше вимог RPS. (Крабтрі та Місвіч, 2010).

Відновлювана мінливість

Мережа стикається з основними проблемами для задоволення мінливості вітрової та сонячної електроенергії. Без значної ємності зберігання, сітка повинна точно збалансувати генерацію до попиту в режимі реального часу. В даний час мінливість попиту контролює процес балансування: попит змінюється на стільки ж, скільки два рази від ночі до дня, коли люди проходять свої щоденні процедури. Ця передбачувана мінливість забезпечується перемиканням джерел генерації резервів у відповідь на зміни попиту. З відновлюваною генерацією варіація може становити до 70 відсотків для сонячної електроенергії через прохідні хмари і 100 відсотків для вітру через спокійні дні, набагато більше, ніж мінливість попиту. На нинішньому рівні 1.6 відсотка проникнення вітру та сонячної енергії відносно невелика варіація генерації може бути прийнята шляхом перемикання та виходу звичайних ресурсів, щоб компенсувати коливання вітру та сонця. При 20-відсотковому проникненні, необхідному державними стандартами відновлюваного портфеля, розміщення варіацій генерації вимагає значного збільшення звичайних резервних потужностей. При високих рівнях проникнення кожне додавання вітрової або сонячної потужності вимагає майже рівного додавання звичайних потужностей для забезпечення генерації, коли відновлювані джерела енергії спокійні. Ця подвійна установка для забезпечення надійності збільшує вартість відновлюваної електроенергії та знижує її ефективність у зниженні викидів парникових газів.

Основним ускладненням відновлюваної варіації є її непередбачуваність. На відміну від мінливості попиту, яка надійно висока вдень і низька вночі, відновлювана генерація залежить від погоди і не дотримується жодної закономірності. Передбачення мінливості вітрової та сонячної генерації вимагає більш складних прогнозів з більшою точністю та більшим рівнем впевненості, ніж зараз доступні. Оскільки сьогоднішні прогнози часто пропускають фактичну мету ефективності, додаткові умовні резерви повинні бути готові покрити ризик неточностей, додаючи ще одне збільшення вартості відновлюваної електроенергії.

Зберігання відновлюваної електроенергії пропонує життєздатний шлях до вирішення проблеми змінної генерації. Мережеве зберігання електроенергії охоплює набагато більше варіантів, ніж портативні накопичувачі електроенергії, необхідні для електромобілів. На відміну від зберігання транспортних засобів, сховище сітки може займати великий слід з невеликим обмеженням ваги або обсягу або без них. Сітка зберігання може бути розміщена в контрольованому середовищі, усуваючи великі перепади температури і вологості, які впливають на продуктивність. Мережеве сховище повинно мати набагато більшу потужність, ніж зберігання транспортних засобів, близько 150 МВт·год для вітроелектростанції проти 20-50 кВт-год для транспортного засобу. Через ці відмінності стратегія дослідження енергозбереження та зберігання енергії автомобіля дуже різна. На сьогоднішній день набагато більше уваги приділяється виконанню вимог до зберігання електроенергії транспортних засобів, ніж вимогам до зберігання в мережі.

Існує безліч варіантів зберігання сітки. Насосна гідроелектростанція, проілюстрована на малюнку\(\PageIndex{5}\), є усталеною технологією, придатною для регіонів з високими та низькими висотними водними ресурсами. Зберігання енергії стисненого повітря (CAES) - це еквівалент стисненого повітря, що перекачується, який використовує надлишок електроенергії для перекачування повітря під тиском у підземні геологічні утворення для подальшого випуску для приводу генераторів. Цей варіант був продемонстрований у Huntorf, Німеччина та в Mcintosh, штат Алабама. Високотемпературні натрієво-сірчані батареї, що працюють при 300° C, мають високу щільність енергії, прогнозований тривалий термін служби та високу ефективність руху в обидва кінці; вони є найбільш зрілими з акумуляторних технологій, запропонованих для мережі. Проточні акумулятори - привабливий і відносно невивчений варіант, де енергія накопичується в стані високого заряду рідкого електроліту і видаляється електрохімічним перетворенням в стан низького заряду. Кожна проточна батарея вимагає електроліту з високим і низьким станом заряду і хімічної реакції, яка приймає один в інший. Таких електролітів і хімічних реакцій багато, з яких досліджено лише одиниці, залишаючи масу перспективних можливостей на майбутнє. Ємність накопичувача енергії залежить тільки від розміру накопичувального резервуара, який може бути спроектований повністю незалежно від потужності, яка залежить від розміру електрохімічного реактора. Натрієві сірчані і проточні батареї зберігають електричний заряд і можуть використовуватися в будь-якому місці електромережі. На відміну від цього, теплове зберігання застосовується лише до концентруючих технологій сонячної енергії, де дзеркала фокусують сонячне випромінювання для нагрівання робочої рідини, яка приводить в дію звичайну турбіну та генератор. У цих системах теплова енергія може зберігатися у вигляді розплавленої солі у високоізольованому корпусі протягом годин або днів, що дозволяє виробляти сонячну електроенергію на вимогу після заходу сонця або в похмурі дні. Всі ці варіанти є перспективними і вимагають досліджень і розробок для вивчення інновацій, продуктивності та лімітів витрат.

Малюнок\(\PageIndex{5}\) Нагнітальна гідроелектростанція Верхній накопичувальний резервуар для перекачуваного гідроакумулювання, встановлена технологія зберігання великої кількості електромережі. Джерело: Ongrys через Вікісховище

Як передавати електрику на великі відстані

Останнім викликом для розміщення відновлюваних джерел енергії є передача на великі відстані. Як\(\PageIndex{6}\) видно з малюнка, найбільші вітрові ресурси, розташовані на середині континенту, і найбільші сонячні ресурси, на південному заході, знаходяться далеко від населених пунктів на схід від Міссісіпі і на Західному узбережжі. Якщо ці ресурси будуть використовуватися, для виведення відновлюваної електроенергії на ринок повинна бути розроблена більша потужність передачі на великі відстані. Хоча така доставка на великі відстані можлива там, де були розташовані спеціальні високовольтні лінії електропередачі, пропускна здатність і кількість таких ліній обмежена. Ситуація дуже схожа на автомобільний транспорт до того, як система міждержавних автомобільних доріг була побудована в 1950-х роках. Можна було проїхати узбережжя до узбережжя, але час їзди було довгим і невизначено, а маршрут непрямим. Щоб ефективно використовувати відновлювані джерела електроенергії, ми повинні створити своєрідну міждержавну систему автомобільних доріг для електроенергії.

Рисунок Розташування\(\PageIndex{6}\) відновлюваних ресурсів проти місця попиту Вітрові та сонячні ресурси електроенергії розташовані далеко від населених пунктів, що вимагає різкого поліпшення передачі електроенергії на великі відстані - «міждержавна система автомобільних доріг для електроенергії». Джерело: Інтеграція відновлюваної електроенергії в мережу, Звіт Групи з громадських питань, Американське фізичне товариство (2010).

Резюме

Електроенергія і рідка нафта є двома первинними енергоносіями в США і в світі. Після виробництва електроенергія є чистою та універсальною, що робить її привабливим енергоносієм на майбутнє. Проблеми, що стоять перед електромережею, - це потужність, надійність та розміщення відновлюваних джерел, таких як сонячна та вітрова енергія, потужність яких є змінною і розташування яких віддалене від населених пунктів. Для розміщення цих поновлюваних ресурсів необхідні зберігання електроенергії та передача на великі відстані.

Викопне паливо (вугілля та газ)

В даний час викопним паливом, що використовується для виробництва електроенергії, переважно є вугілля (45 відсотків) та газ (23 відсотки); на нафту припадає приблизно 1 відсоток (див. Рисунок\(\PageIndex{7}\)). Вугільна електроенергія веде свій початок до початку 20 століття, коли це було природним паливом для парових двигунів, враховуючи його велику кількість, високу щільність енергії та низьку вартість. Газ є пізнішим доповненням до суміші викопної електроенергії, що надходить у значних кількостях після Другої світової війни та з найбільшим зростанням з 1990 року, як показано на малюнку\(\PageIndex{8}\). З двох видів палива вугілля виділяє майже вдвічі більше вуглекислого газу, як газ для однакової теплової потужності, що робить його значно більшим фактором глобального потепління та зміни клімату.

Малюнок Генерація\(\PageIndex{7}\) електроенергії за джерелом Діаграма показує виробництво електроенергії в США за джерелом. Джерело: Управління енергетичної інформації США, Щорічний огляд, 2009, стор. 228 (серпень 2010)

Рисунок\(\PageIndex{8}\) Зростання палива, що використовується для виробництва електроенергії в США Графік показує зростання палива, що використовується для виробництва електроенергії в США з 1950 по 2009 рік. Джерело: Управління енергетичної інформації США, Річний енергетичний огляд 2009, стор. 238 (серпень 2010)

Майбутнє газу та вугілля

Майбутній розвиток вугілля та газу залежить від ступеня громадської та регуляторної стурбованості щодо викидів вуглецю, а також відносної ціни та пропозиції двох видів палива. Постачання вугілля в США є достатком, а транспортний ланцюг від шахт до електростанцій добре налагоджена багаторічним досвідом. Первинним невідомим фактором є ступінь громадського та регуляторного тиску, який буде чинити на викиди вуглецю. Сильний регуляторний тиск на викиди вуглецю сприятиме звільненню вугілля та додаванню газових електростанцій. Ця тенденція підкріплюється недавнім різким розширенням запасів сланцевого газу в США за рахунок технологічного прогресу в горизонтальному бурінні та гідророзриві пласта («фрекінг») родовищ сланцевого газу. Видобуток сланцевого газу збільшувався на 48 відсотків щорічно в 2006-2010 роках, при цьому очікується більше зростання (EIA Annual Energy Outlook, 2011). Більший видобуток сланцевого газу в США поступово зменшить імпорт і в кінцевому підсумку може зробити США нетто-експортером природного газу.

Техніка гідравлічного розриву сланців використовує рідини високого тиску для руйнування нормально твердих сланцевих відкладень та випуску газу та нафти, захоплених всередині гірської породи. Щоб сприяти витоку газу з гірської породи, дрібні частинки твердих речовин включаються в рідини для розриву пласта, щоб осідати в сланцеві тріщини і тримати їх відкритими після розгерметизації рідин. Хоча гідравлічний розрив пласта використовується з 1940-х років, є технологічно доцільним, економічним і доведено, що сприяє підвищенню видобутку газу та нафти, він стикається зі значними екологічними проблемами. У водоносних горизонтах, що перебувають над сланцевими формаціями Марцелла та Ютики північно-східної Пенсільванії та північної частини штату Нью-Йорк, повідомлялося про забруднення метаном питної води, пов'язаної з видобутком сланцевого газу (Osborn, Vengosh, Warner, & Jackson, 2011). Реакція громадськості на ці звіти була сильною та негативною, що викликало заклики до більшої прозорості, наукових розслідувань та регуляторного контролю для чіткого встановлення безпеки, стійкості та довіри громадськості до техніки. Детальніше про процес гідророзриву пласта та пов'язані з ним ризики див. Модуль 10.2.

Рисунок\(\PageIndex{9}\) Глобальний цикл вуглецю, 1990-ті роки Глобальний вуглецевий цикл для 1990-х років, показуючи основні річні потоки в GtC yr-1: доіндустріальні «природні» потоки в чорному кольорі та «антропогенні» потоки в червоному кольорі. Джерело: Зміна клімату 2007: Основа фізичної науки: внесок Робочої групи I до Четвертого звіту про оцінку Міжурядової групи з питань зміни клімату, Cambridge University Press, малюнок 7.3

Окрім тенденції від вугілля до газу для виробництва електроенергії, існує необхідність мати справу з викидами вуглецю від викопного виробництва електроенергії. Рисунок Глобальний цикл вуглецю, 1990-ті роки показує розмір цих викидів порівняно з природними потоками між океаном та атмосферою та рослинністю та землекористуванням. Антропогенні потоки для порівняння невеликі, але мають великий вплив на концентрацію вуглекислого газу в атмосфері. Причина - поетапна динаміка вуглецевого циклу. Кінцевим сховищем для зберігання викидів вуглецю є глибокий океан, з великою здатністю поглинати відносно невеликий потік від спалювання викопного палива. Перехід в глибокий океан, однак, відбувається в три етапи: спочатку в атмосферу, потім в мілководний океан, і, нарешті, до глибокого океану. Вузьким місцем є повільний перенесення вуглекислого газу з неглибокого океану в глибокий океан, керований великою океанською конвеєрною стрічкою або термохалінної циркуляцією, проілюстрованою на малюнку Великий океан конвеєрної стрічки. Велика океанська конвеєрна стрічка займає 400 - 1000 років, щоб завершити один цикл. Поки вуглекислий газ чекає транспортування до глибокого океану, він насичує мілководний океан і «резервує» в атмосфері, викликаючи глобальне потепління та загрозливі зміни клімату. Якщо викиди вуглецю повинні бути захоплені та збережені (або «секвестровані»), вони повинні бути захоплені протягом тисяч років, поки атмосфера пристосовується до минулих та майбутніх викидів вуглецю (Lenton, 2006).

Малюнок\(\PageIndex{10}\) Великий океанічний конвеєр Великий океанський конвеєр (або термохалінний струм) посилає теплі поверхневі течії від Тихого до Атлантичного океанів і холодні глибокі течії в протилежному напрямку. Конвеєрна стрічка відповідає за транспортування розчиненого вуглекислого газу з відносно невеликого резервуара мілководного океану в набагато більший резервуар глибокого океану. Для завершення одного циклу потрібно 400 - 1000 років. Джерело: Аргоннська національна лабораторія

Секвестрація вуглекислого газу в підземних геологічних утвореннях - це один процес, який, в принципі, має здатність обробляти викиди вуглецю викопного палива (Olajire, 2010); хімічна реакція вуглекислого газу до стабільної твердої форми - інший (Stephens & Keith, 2008). Для секвестрації існують фундаментальні проблеми, які необхідно зрозуміти та вирішити, перш ніж процес може бути реалізований у широкому масштабі.

Хімічні реакції та шляхи міграції через пористі породи, в яких вуглекислий газ зберігається під землею, значною мірою невідомі. Залежно від гірського середовища, можуть утворюватися стабільні тверді сполуки, які ефективно видаляють секвестрований вуглекислий газ із навколишнього середовища. Крім того, він може залишатися вуглекислим газом або перетворитися на мобільний вид і мігрувати на великі відстані, нарешті знайшовши шлях втечі до атмосфери, де він може відновити свій внесок у потепління теплиць або завдати нової шкоди навколишньому середовищу. Вимога щодо довгострокового секвестрації є суворим: рівень витоку в 1 відсоток означає, що весь вуглекислий газ, секвестрований у перший рік, витікає через століття, мить ока на часовому масштабі зміни клімату.

Резюме

Вугілля (45 відсотків) і газ (23 відсотки) є двома основними викопними паливами для виробництва електроенергії в Сполучених Штатах. Спалювання вугілля виробляє майже вдвічі більше викидів вуглецю при спалюванні газу. Збільшення громадської думки та регуляторний тиск для зниження викидів вуглецю зміщують виробництво електроенергії в бік газу та від вугілля. Внутрішнє постачання газу швидко зростає завдяки сланцевому газу, що виділяється в результаті гідравлічного розриву пласта, технології зі значним потенціалом шкідливого впливу на навколишнє середовище. Зменшення впливу парникових газів від виробництва електроенергії вимагає захоплення та секвестеризації вуглекислого газу, що викидається з електростанцій. Зберігання вуглекислого газу в підземних геологічних утвореннях стикається з проблемами хімічної трансформації, міграції та довголіття.

Атомна енергетика

З точки зору сталого розвитку ядерна електроенергія представляє цікаву дилему. З одного боку, ядерна електроенергія не виробляє викидів вуглецю, що є головною стійкою перевагою у світі, що стикається з глобальним потеплінням людини та потенційними змінами клімату. З іншого боку, ядерна електроенергія виробляє відпрацьоване паливо, яке повинно зберігатися поза навколишнім середовищем протягом десятків або сотень тисяч років, вона виробляє бомбовий плутоній та уран, які можуть бути перенаправлені терористами чи іншими особами для знищення міст та отруєння навколишнього середовища, і це загрожує природному і вбудоване середовище через випадкові витоки довгоживучого випромінювання. Вдумливі вчені, політики та громадяни повинні зважити користь цього джерела безвуглецевої електроенергії з екологічним ризиком зберігання відпрацьованого палива протягом тисяч або сотень тисяч років, суспільним ризиком розповсюдження ядерної зброї та впливом випадкових викидів радіації. від діючих реакторів. Існує дуже мало прикладів того, як люди мають силу постійно змінювати динаміку землі. Одним із прикладів є глобальне потепління і зміна клімату від викидів вуглецю, а радіація від вибуху достатньої кількості ядерної зброї - інший. Ядерна електроенергія зачіпає обидві ці можливості, з позитивного боку для скорочення викидів вуглецю та з негативної сторони ризику розповсюдження ядерної зброї.

Обговорення ядерної енергетики

Ядерна електроенергія вийшла на енергетичну сцену надзвичайно швидко. Після розвитку ядерних технологій наприкінці Другої світової війни для військових цілей атомна енергетика швидко набула нового мирного шляху для недорогого виробництва електроенергії. Одинадцять років після закінчення Другої світової війни, в 1956 році, дуже короткий час в енергетичному плані, перший комерційний ядерний реактор виробляв електроенергію в Колдер Холл в Селлафілді, Англія. Кількість ядерних реакторів неухильно зростала до більш ніж 400 до 1990 року, через чотири роки після Чорнобильської катастрофи в 1986 році і одинадцять років після острова Три-Майл в 1979 році. З 1990 року кількість діючих реакторів залишається приблизно рівною, а нове будівництво балансує зняття з експлуатації, через небажання громадськості та уряду продовжувати плани розширення ядерної електроенергії. Рисунок Зростання палива, що використовується для виробництва електроенергії в Сполучених Штатах, та цифра ядерної частки виробництва електроенергії в США показують розвиток та стан ядерної енергетики в Сполучених Штатах, що є відображенням її світового зростання.

Малюнок\(\PageIndex{11}\) Ядерна частка виробництва електроенергії США Відсоток електроенергії, виробленої атомною енергією в США, 1957-2009 рр. Джерело: Агентство енергетичної інформації США, щорічний енергетичний огляд 2009, стор. 276 (серпень 2010)

Результат цієї дискусії (Ferguson, Marburger, & Farmer, 2010) визначить, чи переживає світ ядерне відродження, яке виробляється вже кілька років (Grimes & Nuttall, 2010). На глобальну дискусію сильно вплинула малоймовірна ядерна аварія у Фукусімі, Японія, у березні 2011 року. Атомна катастрофа на Фукусімі була спричинена землетрусом і цунамі, які вивели з ладу систему охолодження ядерно-енергетичного комплексу, що складається з діючих ядерних реакторів та басейнів для зберігання під водою відпрацьованого ядерного палива, в кінцевому підсумку викликаючи часткове розплавлення деяких ядер реактора і виділення значного випромінювання. Ця подія, 25 років після Чорнобиля, нагадує нам, що безпека та довіра суспільства особливо важливі в атомній енергетиці, без них розширення атомної енергетики не відбудеться.

Рисунок\(\PageIndex{12}\) Експлуатаційні та списані атомні електростанції в США Графік показує кількість діючих проти списаних атомних електростанцій у Сполучених Штатах. Джерело: Агентство енергетичної інформації США, Річний енергетичний огляд 2009, стор. 274 (серпень 2010)

Існує два основних шляхи поводження з відпрацьованим паливом ядерних реакторів: один раз через і переробки (Всесвітня ядерна асоціація; Kazimi, Moniz, & Forsberg, 2010). Потрапивши через запаси відпрацьованого палива, слідуючи за один прохід через реактор, спочатку в басейни на місці реактора, поки воно охолоджується радіоактивно і термічно, потім у довгостроковому геологічному сховищі, де воно повинно залишатися протягом сотень тисяч років. Переробка відокремлює корисну фракцію відпрацьованого палива і переробляє її через реактор, використовуючи більшу частку його енергетичного вмісту для виробництва електроенергії, а решту відходів високого рівня відправляє на постійне геологічне сховище. Основною мотивацією для переробки є більше використання паливних ресурсів, видобуток на ~ 25 відсотків більше енергії, ніж один раз через цикл. Вторинною мотивацією для переробки є значне скорочення постійних геологічних складських площ (в ~ 5 і більше разів) і часу (від сотень тисяч років до тисяч років). Хоча ці переваги здаються природними та привабливими з точки зору стійкості, вони ускладнюються ризиком крадіжки ядерного матеріалу з циклу переробки для використання у незаконному виробництві зброї або інших нестійких цілях. В даний час Франція, Великобританія, Росія, Японія та Китай займаються певною формою переробки; США, Швеція та Фінляндія не переробляють.

Резюме

Ядерна електроенергія пропонує стійку користь низьковуглецевої електроенергії за рахунок зберігання відпрацьованого палива поза навколишнім середовищем до сотень тисяч років. Атомна енергетика розвивалася лише за 11 років, надзвичайно швидко для великої енергетичної технології, і сповільнилася однаково швидко через занепокоєння громадськості щодо безпеки після острова Три-Майл та Чорнобиля. Аварія реактора на Фукусімі в березні 2011 року викликала подальші серйозні занепокоєння щодо безпеки; її вплив на громадську думку може різко вплинути на майбутній хід ядерної електроенергії. Переробка відпрацьованого палива дає переваги більш високої енергоефективності та зниження вимог до зберігання відпрацьованого палива з недоліком більш високого ризику розповсюдження зброї через відведення переробленого паливного потоку.

Відновлювана енергетика: сонячна, вітрова, гідроенергетика

Сильний інтерес до відновлюваної енергетики в сучасну епоху виник у відповідь на нафтові шоки 1970-х років, коли Організація країн-експортерів нафти (ОПЕК) ввела нафтові ембарго і підняла ціни в переслідуванні геополітичних цілей. Дефіцит нафти, особливо бензину для транспортування, і можливе подорожчання нафти приблизно в 10 разів з 1973 по 1981 рік порушили соціально-економічну роботу багатьох розвинених країн і підкреслили їх нестабільну залежність від іноземних енергопостачання. Реакцією в Сполучених Штатах став перехід від нафти і газу до великої кількості вітчизняного вугілля для виробництва електроенергії та введення стандартів економії палива для транспортних засобів для зменшення споживання нафти для транспортування. Інші розвинені країни без великих запасів викопних копалин, такі як Франція та Японія, вирішили підкреслити ядерну (Франція до рівня 80 відсотків і Японія до 30 відсотків) або розробити внутрішні відновлювані ресурси, такі як гідроенергетика та вітер (Скандинавія), геотермальна (Ісландія), сонячна енергія, біомаса та електроенергія та тепло. Оскільки ціни на нафту впали наприкінці 1980-х років, інтерес до відновлюваних джерел енергії, таких як вітер та сонячна енергія, які зіткнулися зі значними технічними та вартісними бар'єрами, у багатьох країнах знизився, тоді як інші відновлювані джерела енергії, такі як гідроенергія та біомаса, продовжували зростати.

Зростаюча ціна і волатильність нафти з 1998 року, а також зростаюча залежність багатьох розвинених країн від іноземної нафти (60 відсотків США і 97 відсотків японської нафти було імпортовано в 2008 році) стимулювали поновлений інтерес до відновлюваних альтернатив для забезпечення енергетичної безпеки. Нове занепокоєння, невідоме в попередніх нафтових кризах, додало подальшої мотивації: наші знання про викиди парникових газів та їх зростаючий внесок у глобальне потепління та загрозу зміни клімату. Додаткова економічна мотивація, висока вартість іноземних платежів нафти країнам-постачальникам (приблизно $350 млрд на рік для США за цінами 2011 року), ставала все більш важливою, оскільки розвинені країни намагалися оговтатися після економічного спаду 2008 року. Ці проблеми енергетичної безпеки, викидів вуглецю та зміни клімату призводять до значного збільшення стандартів економії палива, переходу палива на транспортування з невизначеної та летючої іноземної нафти на вітчизняну електроенергію та біопаливо та виробництво електроенергії з низьковуглецевих джерел.

Фізичне походження відновлюваної енергії

Хоча відновлювана енергія часто класифікується як гідроенергія, сонячна, вітрова, біомаса, геотермальна енергія, хвиля та приплив, всі форми відновлюваної енергії виникають лише з трьох джерел: світла сонця, тепла земної кори та гравітаційного тяжіння Місяця та сонця. Сонячне світло забезпечує на сьогоднішній день найбільший внесок у відновлювану енергію, проілюстрований на малюнку\(\PageIndex{1}\). Сонце забезпечує тепло, яке рухає погодою, включаючи утворення областей високого та низького тиску в атмосфері, які роблять вітер. Сонце також генерує тепло, необхідне для випаровування океанської води, яка в кінцевому підсумку падає над сушею, створюючи річки, що керують гідроенергією, а сонце є джерелом енергії для фотосинтезу, який створює біомасу. Сонячна енергія може бути безпосередньо захоплена для води та опалення приміщень, для керування звичайними турбінами, які виробляють електроенергію, і як енергія збудження для електронів у напівпровідниках, які керують фотоелектрикою. Сонце також відповідає за енергію викопного палива, створеного з органічних залишків рослин і морських організмів, стиснутих і нагрітих при відсутності кисню в земній корі протягом десятків - сотень мільйонів років. Однак часова шкала регенерації викопного палива занадто довга, щоб вважати їх поновлюваними в людському плані.

Геотермальна енергія походить від тепла, що піднімається на поверхню від земного розплавленого залізного ядра, створеного під час формування та стиснення ранньої землі, а також від тепла, що виробляється безперервно радіоактивним розпадом урану, торію та калію в земній корі. Приливна енергія виникає внаслідок гравітаційного тяжіння Місяця і більш віддаленого сонця на земних океанах, поєднаного з обертанням землі. Ці три джерела - сонячне світло, тепло, захоплене в ядрі землі і безперервно генерується в її корі, і гравітаційна сила Місяця і сонця на океанах - складають всю відновлювану енергію.

Малюнок\(\PageIndex{13}\) Форми відновлюваної енергії, що забезпечуються Сонцем Сонце є кінцевим джерелом для багатьох форм відновлюваної енергії: вітру та проточної води, які можуть бути використані для виробництва електроенергії без тепла або згоряння, і фотосинтезу зелених рослин (біомаси) для спалювання для забезпечення теплом та енергією генерації та для перетворення на біопаливо (верхні панелі). Сонячна енергія може бути безпосередньо захоплена для води та опалення приміщень у будинках, після концентрації дзеркалами на великих установках для виробництва електроенергії звичайними турбінами, а також без концентрації у фотоелектричних елементах, які виробляють енергію без тепла або згоряння (нижні панелі). Джерело: G. Crabtree, використовуючи зображення з Linuxerist, Мор плюс, Річард Доррелл, Ернантрон, BSMPS, Качогарай, і Енді Ф.

Як відносні новачки у виробництві енергії, відновлювана енергія, як правило, працює з меншою ефективністю, ніж її звичайні аналоги. Наприклад, найкращі комерційні сонячні фотоелектричні модулі працюють з ефективністю близько 20 відсотків порівняно з майже 60 відсотковою ефективністю для найкращих турбін природного газу комбінованого циклу. Фотоелектричні модулі в лабораторії працюють вище 40 відсотків ефективності, але занадто дорогі для загального використання, показуючи, що є достатній запас для підвищення продуктивності та зниження витрат. Вітрові турбіни наближаються до своєї теоретичної межі в 59 відсотків (відомий як закон Беца), часто досягаючи 35-40 відсотків ефективності. Біомаса, як відомо, неефективна, як правило, перетворює менше одного відсотка падаючого сонячного світла в енергію, що зберігається в хімічних зв'язках її коренів, стебел і листя. Розведення та генетична модифікація можуть покращити цю погану енергоефективність, хоча сотні мільйонів років еволюції з моменту появи мультицелюльних організмів не дали значного прогресу. Геотермальна енергія вже є у вигляді градієнтів тепла та температури, так що стандартні методи теплотехніки можуть бути застосовані для підвищення ефективності. Хвильова та приливна енергія, хоча і продемонстрована на декількох робочих підприємствах, знаходяться на ранніх стадіях розвитку, і їх технологічний розвиток залишається значною мірою невивченим.

Ємність і географічний розподіл

Незважаючи на те, що відновлювані джерела енергії, такі як вітер та сонячна енергія, зазнали значного зростання в останні роки, вони все ще становлять невелику частину загальних світових потреб у енергії. Рисунок Частка відновлюваної енергії в глобальному кінцевому споживанні енергії, 2008 показує внесок викопної, ядерної та відновлюваної енергії в кінцеве світове споживання енергії в 2008 році. Найбільша частка припадає на традиційну біомасу, переважно паливну деревину, зібрану в традиційних суспільствах для побутового приготування їжі та опалення, часто без урахування стійкої заміни. Гідроенергетика є наступним найбільшим вкладником, усталеною технологією, яка зазнала значного зростання в 20 столітті. Інші учасники є більш пізніми та меншими за внеском: опалення води та простору шляхом спалювання біомаси або збирання сонячного та геотермального тепла, біопаливо, отримане з кукурудзи або цукрової тростини, та електроенергія, що виробляється з вітрової, сонячної та геотермальної енергії. Вітрова та сонячна електроенергія, незважаючи на їх велику потужність та значне недавнє зростання, все ще внесли менше одного відсотка загальної енергії в 2008 році.

Рисунок Частка\(\PageIndex{14}\) відновлюваної енергії в глобальному кінцевому споживанні енергії, 2008 Внесок викопної, ядерної та відновлюваної енергії у світове кінцеве споживання енергії в 2008 році. Джерело: РЕН21. 2010 р. Звіт про глобальний стан відновлюваних джерел енергії 2010 (Париж: Секретаріат REN21), стор. 15

Потенціал відновлюваних джерел енергії різко змінюється. Сонячна енергія на сьогоднішній день є найбільш рясною, доставляється на поверхню землі зі швидкістю 120 000 терават (TW), порівняно з глобальним використанням людиною 15 ТВт. Щоб поставити це в перспективі, покриття 100х100 км ² пустелі 10-відсотковими ефективними сонячними елементами виробляло б 0,29 ТВт енергії, що становить близько 12 відсотків світового попиту людини на електроенергію. Для забезпечення всіх потреб у електроенергії землі (2.4 ТВт у 2007 році) потрібно 7,5 таких квадратів, площа приблизно розміром з Панаму (0,05 відсотка від загальної площі землі). Звичайні запаси нафти в світі оцінюються в три трильйони барелів, включаючи всю нафту, яка вже була відновлена і яка залишається для подальшого відновлення. Сонячний енергетичний еквівалент цих запасів нафти доставляється на землю Сонцем за 1,5 дня.

Глобальний потенціал виробництва електроенергії та транспортування палива з сонячної, вітрової та біомаси обмежується географічною доступністю земель, придатних для отримання кожного виду енергії (описується як географічний потенціал), технічною ефективністю процесу перетворення (зменшення географічного потенціал до технічного потенціалу), а також економічні витрати на будівництво та експлуатацію технології перетворення (зниження технічного потенціалу до економічного потенціалу). Ступінь, до якої фактично розвивається глобальний потенціал відновлюваних ресурсів, залежить від багатьох невідомих факторів, таких як майбутній ступінь економічного та технологічного прогресу в країнах, що розвиваються і розвиваються, ступінь глобалізації через ділові, інтелектуальні та соціальні зв'язки між країн і регіонів, а також відносне значення екологічних та соціальних програм у порівнянні з економічними та матеріальними цілями. Сценарії оцінки розвитку відновлюваних джерел енергії за різних припущень щодо світових економічних, технологічних та соціальних траєкторій показують, що сонячна енергія має 20-50 разів більший потенціал вітру або біомаси для виробництва електроенергії, і що кожна окремо має достатній потенціал для забезпечити світові потреби в електроенергії в 2050 році (de Vries, 2007).

Географічний розподіл корисної відновлюваної енергії досить нерівномірний. Сонячне світло, яке часто вважається відносно рівномірно розподіленим, зосереджено в пустель, де хмарний покрив рідкісний. Вітри на 50 відсотків сильніші і стійкіші в офшорі, ніж на суші. Гідроенергетичний потенціал зосереджений в гірських районах з великою кількістю опадів і танення снігу. Біомаса потребує наявних земель, які не конкурують з виробництвом продуктів харчування, а також достатнього сонця та дощу для підтримки зростання. \(\PageIndex{15}\)На малюнку показано географічний розподіл можливостей відновлюваної електроенергії, які, ймовірно, будуть економічно привабливими у 2050 році за агресивним сценарієм світового розвитку.

\(\PageIndex{15}\)Малюнок Карта можливостей відновлюваної електроенергії показує райони, де один або кілька варіантів вітрової, сонячної та біомаси відновлюваної електроенергії, за оцінками, зможуть виробляти електроенергію в 2050 році при витратах нижче 10 млрд кВт-год. Джерело: де Вріс, Б.М., ван Вурен, Д.П., & Hoogwijk, М.М. (2007). Гіпертекст повинен бути включений на головну сторінку журналу, з якого ви ліцензуєте за адресою http://www.sciencedirect.com/science.../03014215/35/4. Дозвіл на повторне використання необхідно отримати від Elsevier.

Вітрові та сонячні ресурси в США

Сполучені Штати мають в достатку поновлюваних ресурсів. Сонячні ресурси США, Німеччини та Іспанії порівнюються на рис\(\PageIndex{16}\). Сонячне опромінення на південному заході США є винятковим, еквівалентним опроміненню Африки та Австралії, які містять найкращі сонячні ресурси у світі. Значна частина Сполучених Штатів має сонячне опромінення настільки ж добре або краще, ніж Іспанія, вважається найкращою в Європі, і набагато вище, ніж Німеччина. Зміна опромінення над Сполученими Штатами приблизно в два рази, досить однорідна порівняно з іншими поновлюваними ресурсами. Розмір Сполучених Штатів додає його ресурсу, що робить його першочерговою можливістю для розвитку сонячної енергії.

Вітровий ресурс США, хоча і рясний, менш однорідний. Сильні вітри вимагають стійких градієнтів температури та тиску, щоб керувати ними та підтримувати їх, і вони часто пов'язані з топологічними особливостями, такими як гірські хребти або берегові лінії. Карта берегового вітру Сполучених Штатів показує цю закономірність, з найкращим вітром уздовж коридору північ-південь приблизно на середині континенту (рис.\(\PageIndex{16}\)). Офшорні вітри над Великими озерами та східним та західним узбережжями сильніші та стійкіші, хоча вони охоплюють менші площі. Технічний потенціал для наземної вітроенергетики становить понад 8000 ГВт потужності (Lu, 2009; Black & Veatch, 2007), а офшорний - 800 - 3000 ГВт (Lu, 2009; Schwartz, Heimiller, Haymes, & Musial, 2010). Для порівняння, США використовували електроенергію у 2009 році зі швидкістю 450 ГВт, усередненої за денно-нічні та літньо-зимові піки та долини.

На малюнку показані середні швидкості вітру в Сполучених Штатах на рівні 80 метрів. Також дивіться карти офшорних вітрових ресурсів. Джерело: Міністерство енергетики США, Національна лабораторія відновлюваної енергетики та AWS Truepower LLC

Бар'єри для розгортання

Відновлювана енергетика стикається з декількома бар'єрами для її широкого впровадження Вартість одна з найсерйозніших, проілюстрована на рис\(\PageIndex{17}\). Незважаючи на те, що вартість відновлюваних джерел енергії значно знизилася в останні роки, більшість з них все ще дорожче, ніж традиційні альтернативи викопних копалин. Викопні енергетичні технології мають більш тривалий досвід упорядкування виробництва, включення нових матеріалів, використання економії масштабу та розуміння основних фізичних та хімічних явищ процесу перетворення енергії. Як\(\PageIndex{17}\) показано на малюнку, найнижча вартість електроенергії виробляється природним газом та вугіллям, а гідро та вітер серед поновлюваних конкурентів. Вартість, однак, не є ізольованою метрикою; її потрібно порівнювати з альтернативами. Однією з невизначеностей сучасного бізнес-середовища є кінцева вартість викидів вуглецю. Якщо уряди встановлять ціну на викиди вуглецю, щоб компенсувати соціальні витрати на глобальне потепління та загрозу зміни клімату, відносна вартість відновлюваних джерел енергії стане більш привабливою, навіть якщо їх абсолютна вартість не зміниться. Ця політична невизначеність у можливій вартості виробництва електроенергії на основі вуглецю є основним фактором майбутньої економічної привабливості відновлюваної енергетики.

Рисунок\(\PageIndex{17}\) Виробнича собівартість електроенергії - 2020 Прогнозні оцінки вартості електроенергії в 2020 році за викопною, ядерною та відновлюваною генерацією. Джерело: Європейська Комісія, Інформаційна система стратегічних енергетичних технологій

Другим бар'єром для широкого розгортання відновлюваної енергетики є громадська думка. На споживчому ринку продажі безпосередньо обирають громадську думку, і зв'язок між розгортанням та громадським прийняттям є негайним. Відновлювана енергетика - це не вибір, який роблять окремі споживачі. Натомість вибір енергії робиться урядовими політиками на міському, державному та федеральному рівнях, які балансують занепокоєння щодо загального блага, «справедливості» для зацікавлених сторін та економічних витрат. Тим не менш, громадське визнання є основним фактором збалансування цих проблем: сильно прихильний або несприятливий варіант енергії буде відображений у рішеннях уряду через представників, обраних громадськістю або відповідаючи на них. \(\PageIndex{18}\)На малюнку показано громадське прийняття відновлюваних та викопних джерел електроенергії. Діапазон прийняття переходить від сильно позитивного для сонячної до сильно негативного для ядерної. Невідповідність у прийнятті громадськості та економічних витратах цих двох енергетичних альтернатив вражає: сонячна енергія є одразу найдорожчою альтернативою і найбільш прийнятною для громадськості.

Важливість громадської думки ілюструється ядерною катастрофою на Фукусімі 2011 року. Землетрус і цунамі, які в кінцевому підсумку спричинили розплавлення палива в декількох реакторах комплексу Фукусіма та викид радіації в населеному пункті, змусили багатьох громадськості у багатьох країнах поставити під сумнів безпеку реакторів та підприємства атомної електроенергетики в цілому. Відповідь була швидкою, оскільки деякі країни зареєстрували консенсус громадськості щодо різких дій, таких як відключення ядерної електроенергії, коли термін дії ліцензій на нині діючі реактори закінчується. Хоча його остаточна резолюція є невизначеною, раптовий і серйозний вплив події Фукусіми на громадську думку показує ключову роль, яку відіграє соціальне прийняття у визначенні нашої енергетичної траєкторії.

На малюнку показано громадське сприйняття громадянами Європейського Союзу технологій виробництва відновлюваної та викопної електроенергії. Джерело: Європейська Комісія, Євробараметр з енергетичних технологій: заходи сприйняття знань, стор. 33

Резюме

Сильний інтерес до відновлюваної енергетики виник в 1970-х роках як відповідь на дефіцит і високу ціну імпортованої нафти, що порушило впорядковану роботу економік і суспільств багатьох розвинених країн. Сьогодні з'являються нові мотиви, включаючи усвідомлення того, що зростання викидів парникових газів прискорює глобальне потепління і загрожує змінам клімату, зростаюча залежність багатьох країн від іноземної нафти та економічний відтік іноземних платежів нафти, що уповільнює економічне зростання та створення робочих місць. Є три кінцевих джерела всіх відновлюваних і викопних енергій: сонячне світло, тепло в ядрі землі і корі, і гравітаційне тягу Місяця і сонця на океани. Відновлювані джерела енергії відносно недавно розроблені і, як правило, працюють з меншою ефективністю, ніж зрілі технології викопних копалин. Однак, як і ранні викопні технології, можна очікувати, що відновлювані джерела енергії підвищать свою ефективність та знижують їх вартість з часом, сприяючи їх економічній конкурентоспроможності та широкому поширенню.

Майбутнє розгортання відновлюваних джерел енергії залежить від багатьох факторів, включаючи наявність відповідної землі, технологічні витрати на перетворення на електроенергію або інші види використання, витрати на конкуруючі енергетичні технології та майбутню потребу в енергії. Аналіз сценаріїв показує, що відновлювані джерела енергії, ймовірно, будуть технічно та економічно здатні забезпечити світові потреби в електроенергії в 2050 році. Окрім витрат, громадське прийняття є ключовим фактором у широкому впровадженні відновлюваної енергії.

Викопне паливо (нафта)

Рідке нафтове паливо та електроенергія є двома домінуючими енергоносіями в Сполучених Штатах, на нафту припадає 37 відсотків первинної енергії та електроенергії 38 відсотків. На ці два енергоносії припадає аналогічна частка викидів вуглецю, 36 відсотків і 38 відсотків відповідно. Дві третини споживання нафти йде на транспортування, забезпечення паливом для легкових, вантажних автомобілів, поїздів і літаків. Для Сполучених Штатів та більшості розвинених суспільств транспорт вплітається в тканину нашого життя, необхідність як центральна для щоденних операцій, як їжа чи притулок. Концентрація запасів нафти в декількох регіонах або світі (рис. Запаси сирої нафти) робить значну частину світу залежною від імпортованої енергії для транспортування.

Зростання цін на нафту в останнє десятиліття робить залежність від імпортованої енергії для транспортування економічним, а також енергетичним питанням. Наприклад, США зараз витрачають понад 350 мільярдів доларів щорічно на імпортну нафту, витік економічних ресурсів, які можуть бути використані для стимулювання зростання, створення робочих місць, побудови інфраструктури та сприяння соціальному прогресу вдома.

З точки зору сталого розвитку, нафта представляє кілька проблем. По-перше, це проміжок часу, протягом якого кінцеві запаси нафти в світі можуть продовжувати забезпечувати зростаючий попит. По-друге, вплив на глобальне потепління та зміни клімату матимуть викиди вуглецю від спалювання нафти, і по-третє - проблема пошуку стійкої заміни нафти для транспортування. Перший виклик, скільки нафти залишилося і коли її видобуток досягне піку, обговорювався в модулі Сталі енергетичні системи - глава Вступ. Суть полягає в тому, що, як хвацько сказав Йогі Берра, робити прогнози важко, особливо щодо майбутнього. Хоча ми знаємо загальний хід початкового підйому та кінцевого падіння, який повинен пройти глобальний видобуток нафти, ми не знаємо з упевненістю часову шкалу, за яку вона буде грати.

Невизначеність термінів піку світового видобутку нафти спонукає нас знаходити інші питання і мотиви для боротьби з неминуче нестійким постачанням. Основною мотивацією є енергетична безпека, загроза того, що поставки нафти можуть бути перервані будь-якою з кількох подій, включаючи погоду, стихійне лихо, тероризм та геополітику. Значна частина світу вважає, що ці загрози є вагомими причинами для узгоджених зусиль з пошуку заміни нафти як основного транспортного палива. Друга мотивація - шкода навколишньому середовищу і накопичення парникових газів в атмосфері внаслідок викидів транспорту. На відміну від виробництва електроенергії, транспортні викиди виникають із мільйонів крихітних джерел, наприклад, вихлопних труб легкових та вантажних автомобілів та вихлопних газів поїздів та літаків. Проблема захоплення та секвестеризації вуглекислого газу з цих розподілених та рухомих джерел значно більша, ніж з великих стаціонарних джерел електростанцій. Більш досяжною метою може бути заміна нафти як транспортного палива на біопаливо, яке щорічно переробляється природним шляхом від вихлопних труб автомобілів до біопаливних культур, які не конкурують з продовольчими культурами. Інші варіанти включають заміну рідкого палива електроенергією, виробленої всередині країни, або підвищення ефективності транспортних засобів за рахунок зменшення їх ваги, регенеративного захоплення енергії гальмування та підвищення ефективності двигуна. Кожен із цих варіантів має обіцянку, і кожен повинен подолати виклики.

Зміни в енергетичній системі неминуче повільні, через час, необхідний для розробки нових технологій, і операційну інерцію поетапного відмови від інфраструктури існуючої технології, щоб звільнити місце для наступника. Транспортна система проявляє цю експлуатаційну інерцію, регульовану часом обороту автопарку, близько 15 років. Хоча цей часовий масштаб довгий порівняно з економічними циклами, горизонтом прибутку корпорацій та політичним горизонтом обраних чиновників, важливо почати зараз визначати та розробляти стійкі альтернативи нафті як транспортному паливу. Час від інновацій нових підходів та матеріалів до розгортання ринку зазвичай становить 20 років або більше, що добре відповідає операційній інерції транспортної системи. Завдання полягає в тому, щоб ініціювати інноваційні дослідження та розробки альтернативних транспортних систем та підтримувати їх безперервно, поки не будуть встановлені альтернативи.

Резюме

Нафта для транспортування та виробництва електроенергії є двома найбільшими споживачами первинної енергії та виробниками викидів вуглецю в США. Транспортування практично повністю залежить від масла і двигунів внутрішнього згоряння за своєю енергією. Концентрація нафти в декількох регіонах світу створює питання транспортної енергетичної безпеки. На відміну від викидів електроенергії, викиди вуглецю від транспортування важко захопити, оскільки їх джерел, вихлопних труб транспортних засобів, багато і рухаються. Проблеми енергетичної безпеки нафти та захоплення викидів вуглецю транспортними засобами мотивують пошук заміни нафти, таких як біопаливо, електроенергія або більша енергоефективність транспортних засобів.

Перетворення біомаси на біопаливо

Біопаливо - це паливо, виготовлене з біомаси. Найвідомішим прикладом є етанол, який можна легко ферментувати з соку цукрової тростини, як це робиться в Бразилії. Етанол також можна ферментувати з розщепленого (осаклірованого) кукурудзяного крохмалю, як це робиться в основному в Сполучених Штатах. Зовсім недавно зусилля були присвячені виготовленню замінного вуглеводневого біопалива, яке називається зеленим бензином, зеленим дизелем або зеленим реактивним паливом. У цій главі обговорюється потреба в біопаливі, види біопалива, яке можна виробляти з різних наявних сировинок біомаси, а також переваги та недоліки кожного палива та сировини. Також розглянуто різні способи виробництва біопалива.

Потреба в відновлюваних транспортних паливах

У сирої нафти, вугілля та природного газу (спільно називають викопним паливом) наша планета забезпечила нас джерелами енергії, які легко отримати та перетворити на корисне паливо та хімічні речовини. Однак ця ситуація незабаром зміниться через кілька десятиліть для нафтової нафти та через кілька століть для вугілля та природного газу. Пік нафти відноситься до піку видобутку нафти, який повинен відбуватися, оскільки нафтова сировина закінчується. Як показано на малюнку\(\PageIndex{19}\), основні відкриття сирої нафти відбулися до 1980 року.

Малюнок\(\PageIndex{19}\) Пік Нафта - Зростаючий розрив відкриття нафти нафти в порівнянні з видобутком рафінованої Джерело: реп. Роско Бартлетт, штат Меріленд

Оскільки нафта стає все важче і важче знайти, тепер нам доводиться отримувати її з менш доступних місць, таких як далеко під океаном, що призвело до важкоремонтних аварій, таких як розлив нафти Deepwater Horizon у травні 2010 року. Додатковим ефектом є більш висока вартість переробки нафти, оскільки вона надходить з більш віддалених місць або в менш бажаних формах, таких як товстий, кам'янистий «дігтярний пісок» або «нафтовий пісок», знайдений у Канаді чи Венесуелі. Загалом, використання нафтової нафти не може перевищувати кількість виявленої нафти, і якщо припустити, що жодних великих відкриттів нафти не попереду, видобуток нафти з сирої має почати зменшуватися. Деякі аналітики вважають, що цей пік вже стався.

Додатковим аспектом дефіциту нафти є енергонезалежність. В даний час Сполучені Штати імпортують близько двох третин своєї нафти, що робить її залежною від користі країн, які володіють великою кількістю нафти. Ці країни показані на малюнку\(\PageIndex{20}\), карта світу, масштабована з площею кожної країни, пропорційною її запасам нафти. Близькосхідні країни належать до тих, у кого найбільші запаси нафти. Завдяки економіці та рівню життя, заснованому на імпортованій нафті, легко зрозуміти, чому Сполучені Штати глибоко залучені до політики Близького Сходу. Слід зазначити, що цифра\(\PageIndex{19}\) відповідає всьому світу і навіть в даний час багаті нафтою країни, такі як Саудівська Аравія, незабаром відчують пік нафти.

\(\PageIndex{19}\)Малюнок Світ За даними нафтового світу карта перемальована з площею країни, пропорційною нафтовим ресурсам. Джерело: реп. Роско Бартлетт, штат Меріленд

Другою важливою мотивацією для відходу від нафтової сирої є глобальні зміни клімату. Хоча співвідношення концентрації вуглекислого газу (CO2) в атмосфері до середньої глобальної температури в даний час обговорюється, зростання CO2 в нашій атмосфері, який прийшов від спалювання викопного палива з часів промислової революції становить від приблизно 280 ppm до приблизно 390 ppm в даний час, і не може бути заперечено. Необхідні джерела енергії, такі як вітер, сонячна енергія, ядерна енергія та біомаса, які мінімізують або усувають викид атмосферного CO2. Біомаса включена в цей список, оскільки вуглець, що входить до складу рослинного волокна, береться з атмосфери в процесі фотосинтезу. Спалювання палива, отриманого з біомаси, вивільняє CO2 назад в атмосферу, де він знову може бути включений в рослинну масу. Закон про енергетичну незалежність та безпеку (EISA) 2007 року визначає вдосконалене біопаливо як таке, яке знижує викиди парникових газів у життєвому циклі (викиди від усіх процесів, пов'язаних з отриманням, переробкою та, нарешті, спалюванням палива) на 60% щодо базового рівня нафтової нафти 2005 року.

Біопаливо першого покоління

Біопаливо першого покоління прийнято вважати етанолом, як це виробляється в Бразилії більше 30 років з цукрової тростини, і біодизель, вироблений шляхом руйнування, в процесі, який називається переетерифікація, рослинна олія. Бразилія може ефективно збирати сік зі своєї цукрової тростини та виробляти етанол, який є конкурентоспроможним за ціною бензину за ціною за милю.

Малюнок Паливний насос\(\PageIndex{20}\) газ/етанолу Паливний насос у Бразилії, що пропонує або спирт етанолу (A), або бензин (G). Джерело: Натекулл

Там, якщо вартість спирту (як відомо розмовно) менше 70% вартості бензину, баки заповнюють етанолом. Якщо вартість алкоголю більше 70% від вартості бензину, люди заправляють бензином, так як в пробігу газу з етанолом існує близько 30% штрафу. Це відбувається просто тому, що хімічна структура етанолу має менше енергії на об'єм (близько 76 000 BTU/галон або 5100 ккал/літр), ніж бензин (115 BTU/галон або 7600 ккал/літр) або дизельне (132 000 BTU/галон або 8 800 ккал/літр). Очеретанол кваліфікується, відповідно до EISA 2007, як вдосконалене біопаливо.

У Сполучених Штатах, що приблизно вдвічі перевищує вартість етанолу тростини, кукурудзяний крохмаль оцукрюється і ферментується в етанол. Етанол використовується переважно як високооктанова, насичена киснем суміш на 10% для поліпшення згоряння в бензинових двигунів. Розподіл етанолу як гнучкого палива E85 (85% етанолу та 15% бензину), ймовірно, звалився, тому що ціна, навіть при федеральній субсидії 50 центів/галон, не компенсує зменшення пробігу газу на 25 - 30% (див. Рисунок\(\PageIndex{21}\)).

Малюнок\(\PageIndex{21}\) Пробіг Порівняння пробігу порівняння бензину і E85 flex палива. Джерело: Міністерство енергетики, енергоефективності та відновлюваної енергетики США. Зображення створено за адресою http://www.fueleconomy.gov/feg/byfueltype.htm

Біодизель першого покоління виробляється за допомогою базової каталізованої переетерифікації рослинних олій, таких як соя та пальмова. Основним недоліком біопалива на основі рослинних олій є висока вартість рослинної олії завдяки відносно невеликій кількості нафти, яку можна виробляти на акр сільськогосподарських угідь порівняно з іншими джерелами біопалива. Проблема переетерифікації полягає в тому, що він виробляє паливо з відносно високим вмістом кисню, що а) призводить до того, що біодизель стає каламутним (частково замерзає) при відносно високій температурі, і робить біодизель б) менш стабільним, і в) менш енергетичним щільним, ніж дизельне паливо, отримане з нафти.

Очеретанол кваліфікується як вдосконалене біопаливо, оскільки його виробництво знижує викиди парникових газів більш ніж на 60% щодо базового рівня нафти 2005 року (згідно EISA 2007). Кукурудзяний етанол далекий від цієї енергоефективності. Однак етанол, виготовлений з лігноцелюлози - непродовольчої частини рослин - наближається до 50% зменшення. Це підводить нас до другого покоління біопалива.

Біопаливо другого покоління

Біопаливо другого покоління наведено на малюнку\(\PageIndex{22}\). В очікуванні дебатів «продовольство проти палива», EISA 2007 поставив обмеження на виробництво кукурудзяного етанолу (на 15 мільярдів галонів/рік, близько до того, що зараз виробляється), причому основна частина біопалива повинна бути отримана з сільськогосподарських залишків, таких як кукурудзяна плита (частини кукурудзяного заводу залишилися від колосся кукурудза — стебло та листя) та пшенична солома, лісові відходи (деревні обрізки) та енергетичні культури, такі як світчграс та тополі з коротким обертанням, які можна вирощувати на покинутих або крайових сільськогосподарських угіддях з мінімальним зрошенням та добривом. Дослідження Міністерства сільського господарства США, проведене в 2005 році під назвою «Дослідження на мільярд тонн», підрахувало, що приблизно один мільярд тонн на рік біомаси може бути стабільно вироблятися в Сполучених Штатах щороку; енергія в цій біомасі дорівнює кількості нафти, яку ми імпортуємо. Якщо енергія, що міститься в цій біомасі, може бути відновлена з ефективністю 50 відсотків, ми можемо замінити половину нашої імпортованої нафти біопаливом вітчизняного виробництва.

Малюнок Біопаливо\(\PageIndex{22}\) другого покоління Целюлозний етанол та зелене дизель. Джерело: Джон Регальбуто

У сукупності називається «лігноцелюлоза», цей матеріал складається з трьох основних компонентів: целюлози, геміцелюлози та лігніну. Для поділу всієї біомаси на ці фракції потрібні хімічні або біологічні попередні обробки. Геміцелюлоза та целюлоза з відповідними ферментами або неорганічними кислотами можуть бути деконструйовані на прості цукри, а цукру, ферментовані в етанол, або з деякими новими штамами мікробів, в бутанол. Бутанол має лише на 10% меншу енергетичну щільність, ніж бензин. Фракція лігніну біомаси є найбільш стійкою до деконструкції біологічним або хімічним шляхом і часто спалюється для рекуперації тепла або енергії.

У той же час увага звернула на целюлозний етанол, нафтопереробні компанії почали вдосконалювати біодизель. Процес переробки нафти, який називається гідроочищення, використовувався для модернізації рослинної олії. У цьому процесі масло вступає в реакцію з воднем в присутності неорганічних каталізаторів, а рослинне масло перетворюється в набагато більш якісне, безкисневе «зелене дизель» і реактивне паливо. Цей тип біопалива фактично є «краплею заміни» дизельному та реактивному паливу, одержуваному нафтою, і проходить всі суворі правила, які вимагають автомобільна та оборонна промисловість. Він пройшов випробування в ряді комерційних і військових літаків.

Рисунок\(\PageIndex{23}\) Маршрути до вдосконаленого біопалива Різні шляхи заміни вуглеводневого біопалива. Джерело: Джон Регальбуто

Різні шляхи заміни вуглеводневого біопалива показані на малюнку Маршрути до вдосконаленого біопалива. У лівій частині малюнка впорядковано сировину щодо їх достатку і вартості. Найбільш поширеною і, отже, найдешевшою сировиною є лігноцелюлоза з таких джерел, як сільськогосподарські залишки, лісові відходи та енергетичні культури, такі як трава перемикача та тополі з коротким обертанням. З меншою кількістю і більшою витратою є цукру і крохмалі — кукурудза і цукрова тростина. На дні показано найменш рясне і найдорожче біопаливо, сировину на основі ліпідів з рослинної олії або тваринного жиру. Ведуться зусилля по масовому виробництву масляних водоростей. Олії, зібрані з водоростей, відносно легко перетворити на вуглеводневе біопаливо, використовуючи обробку, подібну до гідроочищення. Основна сукупність проблем, пов'язаних з водоростями, криються в її масовому виробництві. Сировина водоростей легко перетворити на вуглеводні, але самі водорості важко масово виробляти, тоді як лігноцелюлоза дуже велика, але складніше перетворити на вуглеводні.

Два шляхи до вуглеводневого біопалива конкурують безпосередньо з бродінням цукрів до етанолу. Ті самі цукри можна обробляти неорганічними каталізаторами, через шляхи обробки блакитної рідкої фази, що спостерігаються в центрі малюнка\(\PageIndex{23}\), або мікробними шляхами для отримання вуглеводнів як продукту бродіння (рожеві шляхи). Мікроби є прикладами біокаталізаторів; ферменти всередині мікроба діють в основному так само, як діють неорганічні каталізатори в неорганічних розчині. Область досліджень, в якій ферменти розроблені для зміни шляхів біологічних реакцій, називається синтетичною біологією.

Технологічна схема неорганічного каталітичного набору процесів вуглеводневого біопалива від провідної компанії-запуску біопалива (Virent Energy Systems of Madison, штат Вісконсін) показана на малюнку\(\PageIndex{24}\). Як біокаталітичні, так і неорганічні каталітичні процеси передбачають внутрішнє відділення вуглеводневого продукту від води, що виключає енергоємну стадію дистиляції, необхідну для спиртового палива. Для мікробного шляху додатковою перевагою цього самоподілу є те, що мікроби не отруюються накопиченням продукту, як відбувається при бродінні до спирту.

Рисунок\(\PageIndex{24}\) Неорганічні каталітичні маршрути до вдосконаленого біопалива Технологічна схема неорганічного каталітичного набору процесів до вуглеводневого біопалива від провідної компанії-запуску біопалива Virent Energy Systems. Джерело: Енергетичні системи Virent, малюнок 1

Два інших основних шляхи до вуглеводневого біопалива видно у верхній частині малюнка\(\PageIndex{23}\): газифікація та піроліз. Перевагою обох цих шляхів є те, що вони переробляють цілу біомасу, включаючи багату енергією лігніну фракцію її. Газифікація виробляє суміш окису вуглецю та водню, яка називається синтез-газом, який може бути перетворений у вуглеводневе паливо за допомогою ряду комерціалізованих в даний час каталітичних шляхів, включаючи синтез Фішера-Тропша та метанол-бензин. Завдання з біомасою полягає в тому, щоб зробити ці процеси економічно життєздатними в малих масштабах. Другий процес - піроліз, який дає сироподібний проміжний продукт, який називається піролізним маслом або біомаслом. Цей проміжний продукт повинен бути додатково оброблений для видалення кисню; як тільки це буде зроблено, його можна вставити в існуючий нафтопереробний завод для подальшої переробки.

Резюме

Мотивацією вуглеводневого біопалива є енергетична незалежність та скорочення викидів парникових газів. Першими відновлюваними біопаливами стали біодизель і біоетанол. За допомогою неорганічного каталізу та синтетичної біології вони були витіснені запасним бензином, дизельним паливом та реактивним паливом. Вони можуть бути виготовлені в Сполучених Штатах різними способами з наявних в даний час, стійко вироблених лігноцелюлозних сировини, таких як кукурудзяна плита, тріска та switchgrass, а в майбутньому - з масових водоростей. Занадто рано говорити, який спосіб виробництва буде переважати, якщо насправді такий є. Деякі процеси можуть виявитися особливо вигідними для певної сировини, такої як деревина або switchgrass. Ми знаємо, що щось потрібно зробити; наша пропозиція недорогої, легкодоступної нафти закінчується. Біопаливо стане великою частиною довгострокової енергетичної незалежності країни. Зараз ведеться велика кількість наукових та інженерних досліджень; це захоплюючий час для біопалива.

Геотермальне опалення та охолодження

З обмеженими запасами викопного палива в найближчі десятиліття та підвищенням обізнаності про екологічні проблеми, пов'язані зі спалюванням викопного палива, альтернативні джерела енергії, такі як геотермальна, стають все більш привабливими. Геотермальна енергія - це енергія, яка надходить із землі. У цьому розділі ми опишемо основні принципи роботи геотермальних енергетичних систем та економію енергії, яка може виникнути в результаті їх використання.

Тепловий насос

Ключем до розуміння геотермальної енергетичної системи є тепловий насос. Зазвичай тепло йде з гарячої області в холодну зону, але тепловий насос - це пристрій, що дозволяє передавати тепло від більш низької температури до більш високої температури при мінімальному споживанні енергії (див. Рис.\(\PageIndex{25}\)). Таким чином, конденсована пара в геотермальному тепловому насосі буде забезпечувати тепло при набагато більш високій температурі в області, що нагрівається, ніж вихідне джерело тепла. Нарешті дросель, подібний до водопровідного крана в домашніх умовах, використовується для зниження тиску (див. Розширювальний клапан на малюнку\(\PageIndex{26}\)) для завершення замкнутого системного циклу, який потім повторюється. Перемикаючи напрямок теплового насоса, геотермальну систему можна використовувати і для охолодження.

Малюнок\(\PageIndex{25}\) A Простий тепловий насос Типовий компресійний тепловий насос для охолодження, що використовується з геотермальною системою. Джерело: Сохаїл Мурад адаптований з Ілмарі Каронен

Геотермальне опалення та охолодження

Геотермальні системи підходять для місць з дещо екстремальними температурними діапазонами. Райони з помірним діапазоном температур (наприклад, деякі райони Каліфорнії) можуть використовувати звичайні теплові насоси з аналогічною економією енергії шляхом додавання або відведення тепла в/з зовнішнього повітря безпосередньо. Райони, які відчувають дещо екстремальні температури (наприклад, Середній Захід та Східне узбережжя), є ідеальними цільовими місцями для геотермальних систем. Для регіонів з помірним кліматом, таких як багато частин Південного або Західного узбережжя, звичайні теплові насоси, які обмінюються енергією в цілому з зовнішнім повітрям, все ще можуть використовуватися з аналогічною економією енергії. Геотермальні теплові насоси (GHP) використовують майже постійні температури (від 7° C до 8° C або 45° F до 48° F) ґрунту під лінією морозу як джерело енергії для забезпечення ефективного опалення та охолодження протягом усього року. Вартість встановлення ГХП вища, ніж у звичайних системах через додаткові витрати на буріння та земляні роботи, але додаткові витрати швидко компенсуються більш високою ефективністю GHP. Можна отримати до 50 відсотків економію порівняно зі звичайними системами опалення та охолодження (див. Рис.\(\PageIndex{26}\)), що дозволяє відшкодувати додаткові капітальні витрати від монтажу в середньому менш ніж за 5 років. GHP мають середній термін служби понад 30 років, залишаючи 25 років або більше заощаджень на опаленні/охолодженні для тих, хто хоче зробити інвестиції. Крім того, GHP є економічними в просторі, і, оскільки вони містять менше рухомих компонентів, вони також мають менші витрати на технічне обслуговування.

Рисунок\(\PageIndex{26}\) Розрахункові витрати на охолодження Порівняння Розрахункові витрати на охолодження геотермальних систем порівняно зі звичайними системами. Джерело: Сохаїл Мурад

Види геотермальних систем

Існує два основних типи геотермальних систем: в наземних і ставкових системах. У грунтових геотермальних системах можуть бути вертикальними і горизонтальними, як показано на малюнку\(\PageIndex{27}\). Вартість земляних робіт вертикальних систем, як правило, вища, і вони вимагають більшої площі землі для встановлення, що, як правило, не є варіантом у міських місцях. Крім витрат на земляні роботи, вертикальні та горизонтальні ГПЧ мають аналогічну ефективність, оскільки температура грунту нижче лінії морозу по суті постійна.

Рисунок\(\PageIndex{27}\) У наземних геотермальних системах Приклади горизонтальних і вертикальних наземних систем. Джерело: Міністерство енергетики, енергоефективності та відновлюваної енергетики США

Геотермальні системи ставків, як правило, кращі, якщо поблизу є вода майже постійна температура цілий рік. Ці системи особливо підходять для промислових установок (наприклад, нафтопереробних заводів) з водоочисними спорудами для очищення обробленої води перед її скиданням. Температура очищеної води з цих споруд по суті постійна протягом року і є ідеальним місцем для системи ставків. Ставові геотермальні системи споруджуються або з відкритими контурами, або з замкнутими контурами (див.\(\PageIndex{28}\) Рис. Системи з відкритим контуром фактично видаляють воду зі ставка, тоді як системи замкнутого циклу видаляють енергію лише у вигляді тепла з води ставка. Звичайно, в системі відкритих ставків ця вода знову повертається в ставок, хоча і при більш низькій температурі при використанні для обігріву.

Рисунок\(\PageIndex{28}\) Ставок Геотермальні системи Приклади систем замкнутого та відкритого циклу ставків. Джерело: Міністерство енергетики, енергоефективності та відновлюваної енергетики США

Екотерміка геотермальних систем

Як говорилося раніше, в залежності від типу системи капітальна і монтажна вартість геотермальної системи приблизно в два рази перевищує вартість традиційної системи опалення, вентиляції, кондиціонування повітря (HVAC). Однак як експлуатаційні, так і витрати на технічне обслуговування набагато нижчі, а перехід від опалення до охолодження є легким. Типова окупність інвестицій (ROI) ділянка для наземної геотермальної системи для багатоквартирної будівлі сприятлива (див.\(\PageIndex{29}\)). Геотермальна система, яка мала додаткові 500 000 доларів капітальних витрат, але менші експлуатаційні та експлуатаційні витрати дозволили окупити додаткові витрати за 5 до 8 років. Оскільки середній термін служби геотермальної системи становить не менше 30 років, економія протягом усього терміну експлуатації системи може бути суттєвою. Ефективність наземних геотермальних систем досить постійна, оскільки відсутні великі перепади температури грунту. Ефективність для систем ставків, як правило, була б набагато вищою, ніж показана на малюнку,\(\PageIndex{29}\) якщо в зимові місяці температура води в ставку вище типових температур грунту нижче лінії морозу (7 ^° C - 8 ^° C, або 44 ^° F - 48 ^° F) тому що ККД теплових насосів збільшується при більш високій температурі джерела тепла. Ще однією причиною більш високої ефективності ставок систем є набагато більша швидкість теплопередачі між рідиною та зовнішньою поверхнею геотермальних труб, особливо якщо вода тече.

Рисунок\(\PageIndex{29}\) Повернення інвестицій в геотермальну систему Повернення додаткових капітальних інвестицій у типову геотермальну систему. Джерело: Murad, S., & Al-Hallaj, S. з техніко-економічного обґрунтування для гібридного паливного елементу/геотермальної системи, остаточний звіт, корпорація HNTB, серпень 2009.

Підвищення ефективності геотермальних систем

Доступно кілька стратегій підвищення ефективності геотермальних систем. Однією з найбільш перспективних можливостей є використання його спільно з матеріалами фазової зміни (PCM) (див. Також Модуль 10.6), зокрема для обробки пікових навантажень споживання енергії. Матеріали фазової зміни - це матеріали, які можуть поглинати та доставляти набагато більшу кількість енергії порівняно з типовими будівельними матеріалами. Вартість геотермальних систем на відміну від інших систем HVAC зростає майже лінійно з розміром системи (приблизно 1000 доларів за тонну). Таким чином, побудова більших систем для обліку пікових навантажень може значно додати як капітальних, так і монтажних витрат. PCM може бути включений у всі чотири геотермальні системи, описані раніше. Найкращим підходом є включення PCM з геотермальними системами для застосування в системах з неоднорідними енергетичними вимогами або системах з короткими, але значними коливаннями та піками енергетичних потреб. Наприклад, проектувальники можуть включати системи опалення для танення снігу для платформ поїздів або вони можуть побудувати буферний енергетичний резервуар за допомогою PCM для задоволення пікових потреб у охолодженні спекотним літнім днем. Переваги в попередньому застосуванні полягали б у тому, щоб уникнути запуску геотермальної системи для теплових навантажень при низьких температурах протягом тривалих періодів, які не були б такими енергоефективними і потребували б спеціально розроблених систем.

Використання матеріалів фазової зміни дозволяє використовувати стандартні геотермальні системи, які потім накопичували б енергію в блоці PCM для подачі тепла при постійній температурі і з рівномірною швидкістю тепла, щоб, наприклад, розтопити сніг на платформах поїздів. Після того, як енергія в PCM майже використовується, геотермальна система відновить сховище PCM. Додаткові потреби в енергії для пікових періодів можуть зберігатися в резервуарах для зберігання PCM, а потім використовуватися для задоволення таких потреб. Наприклад, в спекотний літній день агрегат ПКМ може використовуватися для відведення додаткового тепла вище проектної потужності геотермальної системи під час температурних стрибків, які зазвичай тривають всього кілька годин. Це зменшує навантаження на геотермальну систему в години пік, коли вартість електроенергії, як правило, найвища.

Резервуари для зберігання PCM значно зменшують загальну вартість геотермальної системи теплового насоса, оскільки вона не повинна бути розроблена для задоволення пікових потреб нагрівання/охолодження. Крім того, він також зміщує енергетичні навантаження з годин пік на непікові години. \(\PageIndex{30}\)На малюнку показані зміни температури для типового літнього дня в липні 2010 року в Чикаго. Висока температура 90 градусів тривала лише короткий період близько 4 годин, а потім швидко повернулася до нижче 85 градусів. Цими відносно короткими температурними піками можна легко керувати PCM.

Рисунок Зміна\(\PageIndex{30}\) температури Зміна температури протягом типового липневого дня в Чикаго. Джерело: Сохаїл Мурад створив цифру, використовуючи дані лабораторії екологічних досліджень Великих озер

На закінчення, геотермальні теплові насоси є дуже привабливим, економічно ефективним джерелом енергії як для опалення, так і для охолодження з мінімальним вуглецевим відбитком. Це добре розроблена технологія, яка може бути легко включена як в житлові, так і комерційні будівлі або на стадії проектування, або шляхом модернізації будівель.

Посилання

1. Крабтрі, Г. і Мізевіч, Дж. (співголови). (2010). Інтеграція відновлюваної електроенергії в мережу, Американське фізичне товариство. Американське фізичне товариство, Вашингтон, округ Колумбія Отримано серпня 12, 2011 з http://www.aps.org/policy/reports/po...ratingelec.pdf
2. Оуен, Д. (2009). Зелений Метрополіс: Чому жити менше, жити ближче та менше водіння - це ключі до сталого розвитку. Нью-Йорк: Книги Ріверхед.
3. Адміністрація енергетичної інформації США. Річний енергетичний огляд 2009 року. Отримано 12 серпня 2011 року з http://www.eia.gov/totalenergy/data/...al/pdf/aer.pdf
4. Лентон Т.М. Зміна клімату до кінця тисячоліття. Кліматичні зміни, 76, 7-29. Код: 10.1007/с10584-005-9022-1
5. Олайре, А. Технології захоплення та розділення CO2 для застосування в кінці труб: Огляд, Енергія 35, с. 2610-2628. doi: 10.1016/j.energy.2010.02.030
6. Осборн, С.Г., Венгош, А., Уорнер, Н.Р., & Джексон, Р.Б. (2011). Забруднення метаном питної води, що супроводжує буріння газових свердловин і гідророзриву пласта ПАНА, 108, сс. 8172-1876., дв.: 10.1073/панс.1100682108
7. Стівенс, Дж. С. і Кіт, Д.В. (2008). Оцінка геохімічного управління вуглецем. Кліматичні зміни, 90, 217-242. двері: 10.1007/с10584-008-9440-у
8. Адміністрація енергетичної інформації США. Річний енергетичний огляд 2009 року. Отримано 12 серпня 2011 року з http://www.eia.gov/totalenergy/data/annual/pdf/aer.pdf
9. Адміністрація енергетичної інформації США. Річний енергетичний прогноз 2011. Отримано 2 вересня 2011 року з www.eia.gov/прогнози/aeo/pdf/0383 (2011) .pdf
10. Фергюсон, К.Д., Марбургер, Л.Е. & Фермер, Дж.Д. (2010) Ядерне майбутнє США? Природа, 467, 391-393. номер телефону: 10.1038/467391a
11. Граймс, Р.Дж. та Наттолл, В.Дж. (2010). Генерування Варіант двоступеневого ядерного відродження. Наука, 329, 799-803. дані: 10.1126/наука.1188928
12. Kazimi, M., Moniz, E.J., & Forsberg, C. (2010) Майбутнє ядерного паливного циклу. Енергетична ініціатива MIT. Отримано 30 травня 2011 року з http://web.mit.edu/mitei/research/st...el-cycle.shtml.
13. Всесвітня ядерна асоціація (2011). Переробка відпрацьованого ядерного палива. Отримано 30 травня 2011 року з http://www.world-nuclear.org/info/inf69.html.
14. Аттарі, С.З., Декай, М.Л., Девідсон, К.І., & де Бруін, В.Б. (2010). Громадське сприйняття енергоспоживання та економії. ПРОВУЛКИ, 107, 16054.
15. Чорний і пляжний (2007, жовтень). Двадцять відсотків проникнення енергії вітру в США: технічний аналіз енергетичного ресурсу. Волнат-Крік, Каліфорнія: Чорна і Віч Корп. Отримано 9 грудня 2011 року з www.20percentwind.org/black_veatch_20_percent_report.pdf
16. Звіт про прогрес чистої енергетики, МЕА (2011), www.iea.org/publications/free... p? ПАБИ_ІДЕНТИФІКАТОР = 2384
17. де Фріс, Б.М., ван Вурен, Д.П., & Хогвейк М.М. Відновлювані джерела енергії: їх глобальний потенціал першої половини ХХІ століття на глобальному рівні: Комплексний підхід. Енергетична політика, № 35, 2590.
18. Якобсон, М.З., Делуккі, М.А. План сталого майбутнього. Американська наукова, 301, 58.
19. Калделліс, Дж. К. & Зафіракіс, Д. Еволюція енергії вітру (r): Короткий огляд довгої історії. Відновлювана енергетика, 36, 1887-1901.
20. Лу, Х., Макелрой, М.Б., і Ківілуома, Дж. (2009). Глобальний потенціал для електроенергії, що виробляється вітром. ПАНА, 106, 10933.
21. Відновлювані джерела енергії 2010 Глобальний звіт про стан, REN21, Мережа політики відновлюваної енергетики для 21 століття, www.Ren21.net/Ren21activities... 4/Default.aspx
22. Шварц, М., Гейміллер, Д., Хаймес, С., & Музиал, В. (2010, червень). Оцінка морських вітроенергетичних ресурсів для США (NREL-TP-500-45889). Голден, CO: Національна лабораторія відновлюваної енергетики. Отримано 9 грудня 2011 року з www.nrel.gov/docs/fy10osti/45889.pdf
23. Тренч, C.J. (n.d.). Основи ринку нафти. Адміністрація енергетичної інформації США. Отримано 12 вересня 2011 року з 205.254.135.24/паб/нафта_газ/ре... cs/default.htm

Переглянути питання

1. Електроенергія є найбільш швидкозростаючим енергоносієм у світі, причіпним рідким паливом для транспортування. Чому електроенергія більш приваблива, ніж рідке паливо?
2. Основним завданням для електромережі є здатність справлятися з «вузьким місцем міської влади» у містах та передмістях. Як надпровідні кабелі можуть вирішувати проблеми місткості міста?
3. У Сполучених Штатах багато відновлюваної вітрової та сонячної електроенергії, але вони розташовані віддалено від центрів з високим населенням, і їх випуск мінливий у часі. Як можна вирішити ці два питання?
4. Електропостачання Сполучених Штатів забезпечується насамперед вугіллям, природним газом, атомною та гідроенергетикою. Наскільки безпечні ці поставки палива від переривання міжнародних катастроф, погодних явищ або геополітичної напруженості?
5. Запаси природного газу з сланців швидко зростають завдяки збільшеному використанню технології гідророзриву («фрекінг»). Збільшення внутрішнього ресурсу сланцевого газу може забезпечити більшу енергетичну безпеку за рахунок більшого впливу на навколишнє середовище. Які довгострокові витрати, переваги та перспективи використання внутрішніх запасів сланцевого газу?
6. Антропогенні викиди вуглецю невеликі порівняно з природним обміном між океаном та атмосферою та потоками рослинності та землекористування. Чому антропогенні викиди мають такий великий вплив на концентрацію вуглекислого газу в атмосфері?
7. Однією з пропозицій щодо пом'якшення викидів вуглецю є захоплення та зберігання їх у підземних геологічних утвореннях (секвестрації). Які наукові, технологічні та політичні виклики повинні бути подолані, перш ніж секвестр може бути широко розгорнутий?
8. Ядерна електроенергія вийшла на сцену надзвичайно швидко після закінчення Другої світової війни, і її розвиток швидко застоювався після аварій на острові Три Милі та Чорнобильській АЕС. Катастрофа на Фукусімі 2011 додає третю попереджувальну ноту. Які умови повинні бути виконані, якщо світ переживає розширення ядерної електроенергії, яке часто називають ядерним ренесансом?
9. Ядерне паливо може бути використано один раз і віддано для зберігання або переробки після його первинного використання для відновлення невикористаного ядерного палива для повторного використання. Які аргументи за і проти переробки?
10. Зберігання відпрацьованого ядерного палива протягом десятків до сотень тисяч років є серйозною проблемою сталого розвитку атомної електроенергії. Подальший розвиток сховища гори Юкка зупинено. Які альтернативи для зберігання відпрацьованого ядерного палива йдуть вперед?
11. Які події 1970-х і наприкінці 1990-х років мотивували сучасний інтерес до відновлюваної енергетики?
12. Відновлювана енергія часто поділяється на сонячну, вітрову, гідроенергетику, біомасу, геотермальну енергію, хвилю та приплив. Які кінцеві джерела кожної з цих відновлюваних джерел енергії? Що є кінцевим джерелом викопного палива і чому воно не класифікується як відновлюване?
13. Відновлювана енергетика має технічний потенціал для забезпечення глобальних потреб у електроенергії в 2050 році. Які фактори визначають, чи дійсно буде використана відновлювана енергетика для задоволення цієї потреби? Як можна враховувати невідомі, такі як темпи технологічного та економічного прогресу, економічні, інтелектуальні та соціальні зв'язки між країнами та відносне значення екологічних та соціальних програм у визначенні курсу впровадження відновлюваної енергетики?
14. Прийняття громадськості є ключовим фактором зростання варіантів відновлюваної енергетики. Яке суспільне сприйняття різних варіантів енергії, і як вони можуть змінитися протягом наступних кількох десятиліть?
15. Майже виключна залежність транспортної системи від рідкого палива робить нафту необхідним товаром для впорядкованої роботи багатьох суспільств. Які існують альтернативи нафті як транспортному паливу?
16. Є багато причин для скорочення споживання нафти, включаючи в кінцевому підсумку кінцеву пропозицію, високу вартість і втрачений економічний стимул платежів іноземним виробникам, загрозу переривання поставок через погоду, стихійне лихо, тероризм або геополітичні рішення, а також загрозу зміни клімату через викиди парникових газів. Які з цих причин є найважливішими? Чи зміниться їх відносна важливість з часом?
17. Транспортна система змінюється повільно, регулюється терміном експлуатації автопарку. Порівняйте час, необхідний для зміни транспортної системи, з часовими рамками економічних циклів, горизонтом прибутку бізнесу, політичним горизонтом обраних чиновників і часом, необхідним для розробки нових транспортних технологій, таких як електромобілі або біопаливо. Які проблеми представляють ці часові шкали для зміни транспортної системи?
18. Які потенційні переваги вуглеводневого біопалива перед спиртовим біопаливом?
19. Як біопаливо можна використовувати з іншими альтернативними формами енергії, щоб допомогти Сполученим Штатам стати енергонезалежними?
20. За яким принципом працює геотермальний тепловий насос?
21. Що робить його більш економічним, ніж електричне опалення або звичайні печі?
22. Чи підходять геотермальні теплові насоси для помірного клімату (наприклад, Майамі, штат Флорида)? Чи є звичайні електричні або газові печі єдиним вибором у цих областях?

Глосарій

Енергоносій

Середовище, таке як електроенергія, бензин або водень, яке може переміщати енергію з одного місця в інше, як правило, з точки виробництва (наприклад, електричний генератор або нафтопереробний завод) до місця використання (наприклад, електричне світло або двигун або бензиновий двигун).

Біокаталіз

Каталіз проводиться ферментами — каталіз всередині організму, наприклад.

Щільність енергії

Кількість енергії, що міститься в заданому обсязі (скажімо бензобак). Чим вище енергетична щільність палива, тим далі автомобіль піде на баку палива.

Бродіння

Перетворення цукрів в спирти або вуглеводні мікробами.

Синтез Фішера-Тропша

Неорганічна каталітична реакція між СО і Н ₂ (синтез-газ), який виробляє дизельне і реактивне паливо.

Газифікація

Перетворення біомаси при дуже високій температурі (1000 - 1200° C) в кисневу атмосферу, що призводить до отримання проміжного продукту «синтез-газу» - суміші окису вуглецю (CO) та водню (H ₂).

Гідроочищення

Реакція в присутності водню.

Сумісність з інфраструктурою

Сумісний з існуючими нафтопроводами, резервуарами для зберігання, нафтопереробними заводами та двигунами внутрішнього згоряння.

неорганічний каталіз

Тверді неорганічні матеріали, такі як наночастинки платини, нанесені на активоване вугілля, які прискорюють швидкість хімічних реакцій, не витрачаючись у процесі.

Лігноцелюлоза

Непродовольча частина таких рослин, як стебла і листя рослин кукурудзи (кукурудзяна плита).

Пік нафти

Пік світового видобутку нафти, який повинен настати, оскільки споживання нафти перевершує відкриття нової нафти

Піроліз

Перетворення біомаси при помірно високій температурі (500 — 800° C) в інертну атмосферу, що призводить до отримання проміжного продукту «біонафти».

Синтетична біологія

Область біології, в якій мікроби розроблені для контролю метаболічних шляхів.

Переетерифікація

Основа каталізується реакцією рослинного масла з метанолом з розбиває масло на довгі ланцюги жирних кислот, які можуть бути використані як низькоякісне дизельне паливо.

Геотермальна енергія

Енергія з землі.

Тепловий насос

Пристрій, який дозволяє видаляти тепло при більш низькій температурі і подавати при більш високій температурі, наприклад кондиціонер.

Системи опалення, вентиляції та кондиціонування повітря (HVAC)

Такі системи, як печі та кондиціонери, які зазвичай використовуються в будинках та комерційних будівлах.

Матеріали фазової зміни

Матеріали, які можуть поглинати і доставляти більшу кількість тепла, ніж звичайні будівельні матеріали, оскільки вони можуть змінювати свій стан (тверде або рідке).