11.3: Відновлювані джерела енергії
- Page ID
- 3059
Гідроенергетика
Гідроенергетика (гідроелектростанція) спирається на воду для обертання турбін і створення електроенергії. Він вважається чистим і поновлюваним джерелом енергії, оскільки він безпосередньо не виробляє забруднюючих речовин і тому, що джерело енергії регенерується. Гідроенергетика забезпечує 35% споживання відновлюваної енергії США.
Греблі гідроенергетики та створювані ними водойми можуть мати вплив на навколишнє середовище. Наприклад, міграція риби до їх нерестових районів вище за течією може бути перешкоджена дамбами. У районах, де лосось повинен подорожувати вгору за течією, щоб нереститися, наприклад, вздовж річки Колумбія у Вашингтоні та Орегоні, греблі перекривають їм шлях. Цю проблему можна частково полегшити, використовуючи «рибні сходи», які допомагають лососеві обійти греблі. Однак риба, що рухається вниз за течією, може бути вбита або поранена, коли вода рухається через турбіни в греблі. Водойми та експлуатація дамб також можуть впливати на водні середовища існування через зміни температури води, глибини води, хімії, характеристик течії та навантажень на осад, що може призвести до значних змін екології та фізичних характеристик річки як вгору, так і вниз за течією. Оскільки водойми наповнюються водою, це може призвести до затоплення природних територій, ферм, міст та археологічних пам'яток та змусити населення переселятися.
Малі гідроенергетичні системи
Масштабні проекти гідроенергетики греблі часто критикуються за їх вплив на середовище існування дикої природи, міграцію риб та водний потік та якість. Однак невеликі проекти спуску річки вільні від багатьох екологічних проблем, пов'язаних з їх великомасштабними родичами, оскільки вони використовують природний потік річки, і, таким чином, виробляють відносно невеликі зміни в руслі та потоці потоку. Греблі, побудовані для деяких проектів, що протікають на річці, дуже малі і витрачають мало води, і багато проектів взагалі не вимагають греблі. Таким чином, такі наслідки, як виснаження кисню, підвищення температури, зниження потоку та перешкода міграції вгору за течією, не є проблемами для багатьох проектів, що протікають через річку.
Невеликі гідроенергетичні проекти пропонують енергорішення без викидів для багатьох віддалених громад у всьому світі, таких як Непал, Індія, Китай та Перу, а також для високо розвинених країн, таких як США. Малі гідроенергетичні системи - це ті, які виробляють від 0,01 до 30 МВт електроенергії. Гідроенергетичні системи, що виробляють до 100 кіловат (кВт) електроенергії, часто називають мікрогідроенергетичними системами (рис.\(\PageIndex{2}\)). Більшість систем, які використовуються власниками будинку та малого бізнесу, кваліфікуються як мікрогідроенергетичні системи. Насправді система потужністю 10 кВт, як правило, може забезпечити достатню потужність для великого будинку, невеликого курорту або хобі ферми.
Тверді побутові відходи
Тверді побутові відходи (ТПВ) широко відомі як сміття і можуть створювати електроенергію, спалюючи його безпосередньо або спалюючи метан, що утворюється при його розкладанні. Відходи в енергетичні процеси набирають поновлений інтерес, оскільки вони можуть вирішити відразу дві проблеми: утилізація відходів і виробництво енергії з відновлюваного ресурсу. Багато з впливу на навколишнє середовище подібні до впливу вугільної установки: забруднення повітря, утворення золи тощо Оскільки джерело палива менш стандартизоване, ніж вугілля, а небезпечні матеріали можуть бути присутніми в ТПВ, сміттєспалювальні заводи та енергетичні установки повинні очищати гази від шкідливих матеріалів. EPA США регулює ці рослини дуже суворо і вимагає встановлення пристроїв проти забруднення. Крім того, під час спалювання при високій температурі багато токсичних хімічних речовин можуть розпастися на менш шкідливі сполуки. Зола цих рослин може містити високі концентрації різних металів, які були присутні в вихідних відходах. Якщо зола досить чиста, її можна «переробляти» як покриття полігону ТПВ або будувати дороги, цементний блок і штучні рифи.
Біопаливо
Біомаса відноситься до матеріалу, виробленого організмами, такими як клітини та тканини. Що стосується виробництва енергії, біомаса майже завжди отримується з рослин, а в меншій мірі - водоростей. Щоб біомаса була стійким варіантом, вона, як правило, повинна надходити з відходів, таких як тирса пиломатеріалів, мул паперової фабрики, відходи двору або вівсяні лушпиння з заводу з переробки вівсяних пластівців, матеріал, який в іншому випадку просто гниє. Гній худоби та людські відходи також можна вважати біомасою. Використання біомаси може допомогти пом'якшити зміни клімату, оскільки при спалюванні вона не додає нового вуглецю в атмосферу. Замислюючись про вуглецевий цикл (глава 3), ви згадаєте, що фотосинтез видаляє СО 2 за допомогою процесу фіксації вуглецю. При спалюванні біомаси створюється СО 2, але це дорівнює кількості СО 2, захопленого при фіксації вуглецю. Таким чином, біомаса є вуглецево-нейтральним джерелом енергії, оскільки вона не додає нового CO 2 до вуглецевого циклу. Кожен тип біомаси повинен бути оцінений на предмет екологічного та соціального впливу, щоб визначити, чи дійсно він сприяє стійкості та зменшенню впливу на навколишнє середовище. Наприклад, вирубка великих масивів лісів лише для виробництва енергії не є стійким варіантом, оскільки наші енергетичні потреби настільки великі, що ми швидко знищимо ліси світу, знищуючи критичне середовище існування.
Спалювання деревини
Використання деревини та деревного вугілля, виготовленого з деревини, для опалення та приготування їжі може замінити викопне паливо і може призвести до зниження викидів CO 2. Якщо деревину збирають з лісів або лісових ділянок, які потрібно проріджувати, або з міських дерев, які все одно падають або потребують вирубки, то використання її для біомаси не впливає на ці екосистеми. Однак деревний дим містить шкідливі забруднювачі, такі як чадний газ та тверді частинки. Для опалення будинку він найбільш ефективний і найменш забруднює при використанні сучасної дров'яної печі або камінної топки, які призначені для виділення невеликої кількості твердих частинок. Однак у місцях, де дрова та деревне вугілля є основними паливами для приготування їжі та опалення, наприклад, у нерозвинених країнах, деревина може бути заготовлена швидше, ніж дерева можуть рости, що призводить до вирубки лісів.
Біомаса може використовуватися на малих електростанціях. Наприклад, Colgate College мав дров'яний котел з середини 1980-х років, і за один рік він переробляв приблизно 20 000 тонн місцевої та стійко заготовленої деревної тріски, що еквівалентно 1,17 мільйона галонів (4,43 мільйона літрів) мазуту, уникаючи 13,757 тонн викидів і заощаджуючи університет понад 1,8 мільйона доларів у витратах на опалення. Парогенеруюча дров'яна установка університету в даний час задовольняє більше 75% потреб кампусу в тепло та гарячій воді.
Звалищний газ або біогаз
Звалищний газ (біогаз) - це свого роду техногенний «біогенний» газ, про який говорилося вище. Метан утворюється в результаті біологічних процесів на очисних спорудах, сміттєзвалищах, анаеробному компостуванні та системах поводження з гноєм худоби. Цей газ захоплюється і спалюється для отримання тепла або електроенергії. Електроенергія може замінити електроенергію, вироблену спалюванням викопного палива, і призвести до чистого скорочення викидів CO 2. Єдиний вплив на навколишнє середовище - це будівництво самого заводу, подібного до впливу заводу на природному газі.
Біоетанол та біодизель
Біоетанол та біодизель - це рідке біопаливо, вироблене з рослин, як правило, сільськогосподарських культур. Біоетанол можна легко ферментувати з соку цукрової тростини, як це робиться в Бразилії. Біоетанол також можна ферментувати з розщепленого кукурудзяного крохмалю, як це робиться в основному в Сполучених Штатах. Необхідно враховувати економічні та соціальні наслідки вирощування рослин на паливо, оскільки земля, добрива та енергія, що використовуються для вирощування біопаливних культур, можуть бути використані для вирощування продовольчих культур. Конкуренція землі за паливо проти продуктів харчування може підвищити ціну на продукти харчування, що негативно позначається на суспільстві. Це також може зменшити постачання продовольства, збільшуючи недоїдання та голод у всьому світі. Крім того, в деяких куточках світу були вирубані великі площі природної рослинності та лісів для вирощування цукрової тростини для біоетанолу та сої та пальмових олійних дерев для виготовлення біодизеля. Це не стійке землекористування. Біопаливо може бути отримано з частин рослин, які не використовуються в їжу, таких як стебла, тим самим зменшуючи цей вплив. Біодизель може бути виготовлений з відпрацьованого рослинного масла і виробляється на дуже місцевій основі. Порівняно з нафтовим дизелем, спалювання біодизеля виробляє менше оксидів сірки, твердих частинок, чадного газу та незгорілих та інших вуглеводнів, але воно виробляє більше оксиду азоту.
Рідке біопаливо зазвичай замінює нафту і використовується для живлення транспортних засобів. Хоча етанол-бензинові суміші горять чистіше, ніж чистий бензин, вони також є більш летючими і, таким чином, мають більш високі «випарні викиди» з паливних баків і дозуючого обладнання. Ці викиди сприяють утворенню шкідливого, наземного озону і смогу. Бензин вимагає додаткової обробки для зменшення викидів випарів перед змішуванням з етанолом.
Геотермальна енергія
П'ять відсотків відновлюваної енергії Сполучених Штатів надходить від геотермальної енергії: використання тепла надр Землі для забезпечення нескінченної енергії. Геотермальні системи використовують систему теплообміну, яка працює в надрах приблизно на 20 футів (5 метрів) нижче поверхні, де земля знаходиться при постійній температурі. Система використовує землю як джерело тепла (взимку) або радіатор (влітку). Це зменшує споживання енергії, необхідної для отримання тепла від газу, пари, гарячої води та звичайних електричних систем кондиціонування. Вплив геотермальної енергії на навколишнє середовище залежить від того, як вона використовується. Безпосереднє використання та опалення практично не мають негативного впливу на навколишнє середовище.
Геотермальні електростанції не спалюють паливо для виробництва електроенергії, тому їх рівень викидів дуже низький. Вони виділяють менше 1% викидів вуглекислого газу заводу з викопного палива. Геотермальні установки використовують скруберні системи для очищення повітря від сірководню, який природним чином міститься в парі і гарячій воді. Вони виділяють на 97% менше кислотних сполук сірки, що викликають дощ, ніж викидаються заводами викопного палива. Після того, як пара і вода з геотермального резервуара були використані, їх нагнітають назад в землю.
Сонячна енергія
Сонячна енергія перетворює енергію світла в електричну і має мінімальний вплив на навколишнє середовище, в залежності від того, де вона розміщена. У 2009 році 1% відновлюваної енергії, виробленої в США, припадало на сонячну енергію (1646 МВт) з 8% загальної генерації електроенергії з відновлюваних джерел. Виробництво фотоелектричних (PV) елементів створює деякі небезпечні відходи від хімічних речовин і розчинників, що використовуються в обробці. Часто сонячні батареї розміщують на дахах будівель або над паркінгами або інтегрують в будівництво іншими способами. Однак великі системи можуть бути розміщені на суші і особливо в пустель, де ці тендітні екосистеми можуть бути пошкоджені, якщо не буде доглянуто. Деякі сонячні теплові системи використовують потенційно небезпечні рідини (для передачі тепла), які потребують належного поводження та утилізації. Концентровані сонячні системи, можливо, доведеться регулярно очищати водою, яка також потрібна для охолодження турбогенератора. Використання води з підземних свердловин може вплинути на екосистему в деяких посушливих місцях.
Вітер
Вітроенергетика - це поновлюване джерело енергії, яке є чистим і має дуже мало екологічних проблем. Вітрові турбіни стають більш помітною пам'яткою у Сполучених Штатах, навіть у регіонах, які, як вважають, мають менший вітровий потенціал. Вітряні турбіни (їх часто називають вітряками) не виділяють викидів, що забруднюють повітря або воду (за рідкісним винятком), і їм не потрібна вода для охолодження. На кінець 2010 року у вітроенергетичній галузі США було встановлено 40 181 МВт потужності вітрової енергії, при цьому лише у 2010 році встановлено 5116 МВт, що забезпечує понад 20% встановленої вітрової енергії по всьому світу. За даними Американської вітроенергетичної асоціації, понад 35% всіх нових електрогенеруючих потужностей в США з 2006 року припадає на вітер, перевершений лише природним газом.
Оскільки вітрова турбіна має невеликий фізичний слід щодо кількості електроенергії, яку вона виробляє, багато вітроелектростанцій розташовані на сільськогосподарських та пасовищних угіддях. Вони сприяють економічній стійкості, забезпечуючи додатковий дохід фермерам та скотоводам, дозволяючи їм залишатися в бізнесі та утримувати своє майно від розробки для інших цілей. Наприклад, енергію можна виробляти шляхом установки вітрових турбін в горах Аппалачі США замість того, щоб займатися видаленням вершини гори для видобутку вугілля. Офшорні вітрогенератори на озерах або океані можуть мати менший вплив на навколишнє середовище, ніж турбіни на суші.
Вітрові турбіни мають кілька екологічних проблем. Є естетичні проблеми для деяких людей, коли вони бачать їх на ландшафті. Кілька вітрових турбін загорівся, а деякі просочилися мастильними рідинами, хоча це відносно рідко. Деяким людям не подобається звук, який видають лопатки вітрових турбін. Було виявлено, що турбіни спричиняють смерть птахів та кажанів, особливо якщо вони розташовані вздовж їх міграційного шляху. Це викликає особливе занепокоєння, якщо ці види знаходяться під загрозою зникнення або під загрозою зникнення. Існують способи пом'якшити цей вплив, і в даний час він досліджується. Є деякі невеликі наслідки від будівництва вітрових проектів або ферм, такі як будівництво службових доріг, виробництво самих турбін та бетон для фундаментів. Однак загальний аналіз показав, що турбіни виробляють набагато більше енергії, ніж кількість, яка використовується для їх виготовлення та встановлення.
Інтерес до відновлюваної енергетики
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% та Японія до 30%) або розробити внутрішні відновлювані ресурси, такі як гідроенергетика та вітер (Скандинавія), геотермальна енергія (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 енергетика, які зіткнулися зі значними технічними та вартісними бар'єрами, у багатьох країнах знизився, тоді як інші відновлювані джерела енергії, такі як гідроенергетика та біомаса, продовжували відчувати зростання.
Зростаюча ціна і волатильність цін на нафту з 1998 року, а також зростаюча залежність багатьох розвинених країн від іноземної нафти (60% США і 97% японської нафти було імпортовано в 2008 році) викликали поновлення інтересу 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 зміну 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. 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.
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. Найбільша частка припадає на традиційну біомасу, в основному 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 1% загальної енергії у 2008 році.
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 100 × 100 км2 пустелі з 10% ефективними сонячними елементами виробляло б 0,29 ТВт енергії, що становить близько 12% світового попиту людини на електроенергію. Для забезпечення всіх потреб земної електроенергії (2.4 ТВт у 2007 році) потрібно 7,5 таких квадратів, площа приблизно розміром з Панаму (0,05% 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.
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% сильніші і стійкіші в офшорі, ніж на суші. Гідроенергетичний потенціал зосереджений в гірських районах з великою кількістю опадів і танення снігу. Біомаса вимагає наявних земель, які не конкурують з виробництвом продуктів харчування, і достатнього сонця та дощу для підтримки зростання.
Автори та атрибуція
- Основи екологічної науки Камали Доршнер ліцензовано відповідно до CC BY 4.0. Модифікований з оригіналу Метью Р. Фішер.