1.14: Відновлювані джерела енергії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6420

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

ВСТУП

Поновлювані джерела енергії часто вважаються альтернативними джерелами, оскільки в цілому більшість промислово розвинених країн не покладаються на них як на основне джерело енергії. Натомість вони, як правило, покладаються на невідновлювані джерела, такі як викопне паливо або атомна енергія. Оскільки енергетична криза в США протягом 1970-х років, скорочення поставок викопного палива та небезпеки, пов'язані з атомною енергією, зросло використання відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна енергія, гідроелектроенергія, вітер, біомаса та геотермальна енергія.

Відновлювана енергія надходить від сонця (вважається «необмеженим» запасом) або інших джерел, які теоретично можна відновити принаймні так само швидко, як вони споживаються. Якщо використовувати їх зі стійкою швидкістю, ці джерела будуть доступні для споживання протягом тисяч років або довше. На жаль, деякі потенційно відновлювані джерела енергії, такі як біомаса та геотермальна енергія, фактично виснажуються в деяких районах, оскільки рівень використання перевищує швидкість відновлення.

СОНЯЧНА ЕНЕРГІЯ

Сонячна енергія є кінцевим джерелом енергії, що рухає землю. Хоча лише одна мільярдна частина енергії, яка залишає сонце, насправді досягає земної поверхні, цього більш ніж достатньо для задоволення світових енергетичних потреб. Фактично всі інші джерела енергії, відновлювані та невідновлювані, є фактично збереженими формами сонячної енергії. Процес безпосереднього перетворення сонячної енергії в теплову або електрику вважається відновлюваним джерелом енергії. Сонячна енергія являє собою по суті необмежений запас енергії, оскільки сонце буде довго пережити людську цивілізацію на землі. Труднощі полягають у використанні енергії. Сонячна енергія століттями використовується для обігріву будинків та води, а сучасні технології (фотоелектричні елементи) забезпечили спосіб виробляти електроенергію від сонячного світла.

Існує дві основні форми використання променистої сонячної енергії: пасивна і активна. Пасивні системи сонячної енергії є статичними і не вимагають введення енергії у вигляді рухомих частин або перекачування рідин для використання енергії сонця. Будівлі можуть бути спроектовані для захоплення та збору енергії сонця безпосередньо. Матеріали підбираються за їх особливими характеристиками: скло дозволяє сонцю проникати всередину будівлі для забезпечення світла і тепла; вода і кам'яні матеріали мають високу теплоємність. Вони можуть поглинати велику кількість сонячної енергії протягом дня, яку потім можна використовувати протягом ночі. Теплиця південної експозиції зі скляними вікнами і бетонною підлогою - приклад пасивної сонячної системи опалення. Активні сонячні енергетичні системи вимагають введення певної енергії для приводу механічних пристроїв (наприклад, сонячних батарей), які збирають енергію та перекачують рідини, що використовуються для зберігання та розподілу енергії. Сонячні панелі, як правило, встановлюються на даху, що виходить на південь або захід. Сонячна панель зазвичай складається зі скляного, герметичного, ізольованого короба з чорною матовою внутрішньою обробкою. Всередині знаходяться змійовики, повні теплозбирає рідкого середовища (зазвичай вода, іноді доповнена антифризом).

Сонце нагріває воду в змійовиках, яка перекачується в змійовики в теплоносій, що містить воду. Вода в баку нагрівається і потім або накопичується, або перекачується через будівлю для обігріву приміщень або подачі гарячої води в крани в будівлі.

Фотоелектричні елементи виробляють електроенергію від сонячного світла. Сотні клітин пов'язані між собою, щоб забезпечити необхідний потік струму. Електрику можна використовувати безпосередньо або зберігати в акумуляторних батареях. Оскільки фотоелектричні елементи не мають рухомих частин, вони чисті, тихі та довговічні. Ранні фотоелектричні елементи були надзвичайно дорогими, що робить вартість сонячних електричних панелей непомірною. Недавня розробка недорогих напівпровідникових матеріалів допомогла значно знизити вартість до того моменту, коли сонячні електричні панелі можуть конкурувати набагато краще за ціною з традиційною електроенергією.

Хоча сама сонячна енергія безкоштовна, великі витрати можуть бути пов'язані з обладнанням. Будівельні витрати на будинок, що обігрівається пасивною сонячною енергією, спочатку можуть бути дорожчими. Скло, кам'яні матеріали та відмінна ізоляція, необхідні для правильної роботи системи, як правило, дорожчі, ніж звичайні будівельні матеріали. Довгострокове порівняння комунальних платежів, правда, в цілому виявляє помітну економію. Сонячні панелі, що використовуються в активній сонячній енергетиці, можуть бути дорогими для придбання, монтажу та обслуговування. Протікання можуть виникати в розгалуженій мережі необхідних труб, тим самим викликаючи додаткові витрати. Найбільшим недоліком будь-якої сонячної енергетичної системи є те, що вона вимагає послідовного постачання сонячного світла для роботи. Більшість частин світу мають менш ідеальні умови для будинку лише на сонячних батареях через їх широту або клімат. Тому зазвичай для сонячних будинків необхідно мати звичайні резервні системи (наприклад, газову піч або водонагрівач). Ця вимога подвійної системи ще більше додає його вартості.

ГІДРОЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА

Гідроелектроенергія генерується за рахунок використання енергії проточної води для електрогенерації турбін для виробництва електроенергії. Більшість гідроелектростанцій виробляється греблі через ріки великого потоку. Гребля, побудована через річку, створює за нею водосховище. Висота води за греблею більше, ніж нижче греблі, представляючи накопичену потенційну енергію. Коли вода стікає через пеншток греблі, приводячи в рух турбіни, частина цієї потенційної енергії перетворюється в електрику. Гідроенергетика, як і інші альтернативні джерела, є чистою і відносно дешевою протягом довгого терміну навіть при початкових витратах на будівництво та утримання. Але оскільки нормальна швидкість потоку річки зменшується греблею, опади, які зазвичай переносяться водою вниз за течією, замість цього осідають у водосховищі. Зрештою, осад може засмітити пістоки і зробити дамбу марною для виробництва електроенергії.

Масштабні греблі можуть мати значний вплив на регіональне середовище. Коли річка спочатку загреблена, сільськогосподарські угіддя іноді затоплюються, а цілі популяції людей та дикої природи витісняються піднятими водами за дамбою. У деяких випадках водойма може затопити сотні або тисячі квадратних кілометрів. Зниження потоку вниз за течією від греблі також може негативно вплинути на населення людини та дикої природи, що живуть нижче за течією. Крім того, гребля може виступати бар'єром для риби, яка повинна подорожувати вгору за течією, щоб нереститися. Водні організми часто виловлюються і вбиваються в підводних і вивідних трубах. Через велику площу поверхні водойми місцевий клімат може змінюватися через велику кількість відбувається випаровування.

ВІТРОЕНЕРГЕТИКА

Вітер - результат нерівномірного нагрівання атмосфери сонцем. Тепле повітря розширюється і піднімається вгору, а прохолодне повітря стискається і опускається. Такий рух повітря називається вітром. Вітер використовувався як джерело енергії тисячоліттями. Він був використаний для перекачування води, для живлення судів, а також для млинання зерна. Райони з постійним і сильним вітром можуть використовуватися вітровими турбінами для вироблення електроенергії. У Сполучених Штатах штат Каліфорнія налічує близько 20 000 вітрових турбін, і виробляє найбільше електроенергії, що виробляється вітром. Енергія вітру не виробляє забруднення повітря, може бути практично безмежною і відносно недорога у виробництві. Існує початкова вартість виготовлення вітрогенератора і витрати, пов'язані з утриманням і ремонтом, але сам вітер безкоштовний.

Основними недоліками вітрогенераторів є те, що вони вимагають великої кількості відкритої землі та досить постійної подачі вітру. Менше 15% Сполучених Штатів придатні для виробництва енергії вітру.

Вітряки також галасливі, і деякі люди вважають їх естетично непривабливими і позначають їх як візуальне забруднення. Мігруючі птахи і комахи можуть заплутатися і загинути поворотними лопатями. Однак землі, що використовуються для вітряних ферм, можуть одночасно використовуватися для інших цілей, таких як скотоводство, землеробство та відпочинок.

ЕНЕРГІЯ БІОМАСИ

Енергія біомаси є найдавнішим джерелом енергії, що використовується людиною. Біомаса - це органічна речовина, яка складається з тканин рослин і тварин. Поки промислова революція не спонукала до переходу на викопне паливо в середині 18 століття, вона була домінуючим у світі джерелом палива. Біомасу можна спалювати для опалення та приготування їжі, і навіть виробляти електроенергію. Найпоширенішим джерелом енергії біомаси є спалювання деревини, але енергія також може генеруватися спалюванням гною тварин (гною), трав'янистої рослинної сировини (недеревного), торфу (частково розкладеної рослинної та тваринної тканини) або перетвореної біомаси, такої як деревне вугілля (деревина, яка була частково спалена для отримання вугільноподібна речовина). Біомаса також може бути перетворена на рідке біопаливо, таке як етанол або метанол. В даний час близько 15 відсотків світової енергії надходить з біомаси.

Біомаса є потенційно відновлюваним джерелом енергії. На жаль, дерева, які вирубуються на дрова, часто не пересаджують. Для сталого використання потрібно висаджувати одне дерево на кожне зрубане.

Біомаса найчастіше використовується як джерело палива в країнах, що розвиваються, але зі зниженням доступності викопного палива та зростанням цін на викопне паливо біомаса все частіше використовується як джерело палива в розвинених країнах. Одним із прикладів енергії біомаси в розвинених країнах є спалювання твердих побутових відходів. У Сполучених Штатах було побудовано кілька заводів для спалювання міських відходів біомаси та використання енергії для виробництва електроенергії.

Використання біомаси як джерела палива має серйозні наслідки для навколишнього середовища. Коли зібрані дерева не пересаджують, може статися ерозія грунту. Втрата фотосинтетичної активності призводить до збільшення кількості вуглекислого газу в атмосфері і може сприяти глобальному потеплінню. Спалювання біомаси також виробляє вуглекислий газ і позбавляє ґрунт поживних речовин, які він зазвичай отримував би від розкладання органічної речовини. Спалювання виділяє тверді частинки (наприклад, золу) у повітря, що може спричинити проблеми зі здоров'ям органів дихання.

ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГІЯ

Геотермальна енергія використовує тепло від внутрішніх геологічних процесів землі для того, щоб виробляти електроенергію або забезпечувати опалення. Одним з джерел геотермальної енергії є пар. Грунтові води просочуються вниз, хоча тріщини в підземних породах, поки не досягають порід, нагрітих нижньою магмою, і тепло перетворює воду в пару. Іноді цей пар пробивається назад на поверхню у вигляді гейзера або гарячого джерела. Колодязі можна викопати для відведення парового резервуара і виведення його на поверхню, для приводу генеруючих турбін і виробництва електроенергії. Гаряча вода може циркулювати для обігріву будівель. Регіони поблизу меж тектонічних плит мають найкращий потенціал для геотермальної активності.

Західна частина Сполучених Штатів найбільш сприятлива для геотермальних джерел енергії, і більше половини електроенергії, що використовується містом Сан-Франциско, надходить від гейзерів, природного геотермального поля в Північній Каліфорнії. Каліфорнія виробляє близько 50 відсотків світової електроенергії, яка надходить з геотермальних джерел.

Цілі міста Ісландії, які розташовані в вулканично активному регіоні поблизу середньо-океанічного хребта, нагріваються геотермальною енергією. Регіон Рифтової долини Східної Африки також має геотермальні електростанції. Геотермальна енергія не завжди може бути відновлюваною в конкретному регіоні, якщо пар відводиться зі швидкістю швидше, ніж його можна поповнити, або якщо джерело опалення остигає. Енергія, вироблена регіоном гейзерів Каліфорнії, вже знижується, оскільки інтенсивне використання призводить до охолодження підземного джерела тепла.

Рекуперація геотермальної енергії може бути менш екологічно інвазивним, ніж використання методів відновлення невідновлюваних джерел енергії. Хоча він відносно екологічно чистий, він не практичний для всіх ситуацій. Тільки обмежені географічні регіони здатні виробляти геотермальну енергію, яка є економічно вигідною. Тому він, ймовірно, ніколи не стане основним джерелом енергії. Витрати та енергетичні вимоги для відводу та транспортування пари та гарячої води високі. Сірководень, токсичний забруднювач повітря, який пахне тухлими яйцями, також часто пов'язаний з геотермальною активністю.