15.10: Відновлювані джерела енергії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20397

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

Цілі навчання

Охарактеризуйте різні відновлювані джерела енергії.
Перелічіть будь-який вплив, який він може мати на навколишнє середовище.

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

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

Енергія є важливим компонентом на всіх етапах життя суспільства. Ми живемо у дуже взаємозалежному світі, і доступ до адекватних і надійних енергетичних ресурсів має вирішальне значення для економічного зростання та підтримки якості нашого життя. Основні енергетичні ресурси, що використовуються в світі, наведені на рисунку\(\PageIndex{2}\). З швидким зростанням виробництва електроенергії відновлювані джерела енергії, включаючи сонячну, вітрову та гідроелектроенергію, є найбільш швидкозростаючим джерелом енергії між 2018 та 2050 роками, перевершуючи нафту та інші рідини, щоб стати найбільш використовуваним джерелом енергії в довідковому випадку. Світове споживання відновлюваної енергії збільшується на 3,1% на рік у період з 2018 по 2050 рік порівняно з 0,6% річним зростанням нафти та інших рідин, зростанням вугілля на 0,4% та річним зростанням споживання природного газу на 1,1%.

Світове споживання природного газу збільшується більш ніж на 40% між 2018 і 2050 роками, а загальне споживання досягає майже 200 квадрильйонів БТЕ до 2050 року. Окрім природного газу, що використовується у виробництві електроенергії, збільшується споживання природного газу в промисловому секторі. Виробництво хімічних та первинних металів, а також видобуток нафти та природного газу складають більшу частину зростаючого промислового попиту.

Світове споживання рідкого палива збільшується більш ніж на 20% між 2018 і 2050 роками, а загальне споживання сягає понад 240 квадрильйонів БТЕ в 2050 році. Попит в країнах ОЕСР (Організації економічного співробітництва та розвитку) залишається відносно стабільним протягом прогнозного періоду, але попит, що не входять до ОЕСР, збільшується приблизно на 45%.

Рисунок\(\PageIndex{2}\): Світове споживання первинної енергії за джерелами енергії (2010-2050)

Навіщо використовувати відновлювані джерела енергії?

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

Сонячна енергія

Сонячна енергія є кінцевим джерелом енергії, що рухає життя на землі та багато людської діяльності. Хоча лише одна мільярдна частина енергії, яка залишає сонце (рис.\(\PageIndex{3}\)), 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 колекторів сонячної енергії - пасивні і активні.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): а) Марс спостерігач на орбіті Марса показує сонячну панель. (Зображення: Вікісховище www.jpl.nasa.gov/images/space... t1-browse.jpg,). б) Сонце сфотографовано на 304 ангстремах Асамблеєю атмосферних зображень (AIA 304) обсерваторії сонячної динаміки НАСА (SDO). Це помилкове кольорове зображення Сонця, яке спостерігається в екстремальній ультрафіолетовій області спектра. sdo.gsfc.nasa.gov/assets/img/... _4096_0304.jpg, NASA/SDO (AIA)

Сонячні фотоелектричні (PV) пристрої, або сонячні елементи, змінюють сонячне світло безпосередньо на електрику. PV використовує напівпровідникові матеріали, такі як кремній, для виробництва електроенергії від сонячного світла: коли світло потрапляє на клітини, матеріал виробляє вільні електрони, які мігрують через комірку, створюючи електричний струм. Маленькі фотоелектричні елементи можуть живити калькулятори, годинники та інші невеликі електронні пристрої. Домовленості багатьох сонячних батарей у фотоелектричних панелах та механізми декількох фотоелектричних панелей у фотоелектричних масивах можуть виробляти електроенергію для всього будинку або будівлі (\(\PageIndex{4}\)Рисунок а). Деякі фотоелектричні електростанції мають великі масиви, які охоплюють багато акрів для виробництва електроенергії для тисяч будинків.

Сотні тисяч будинків і будівель по всьому світу мають фотоелектричні системи на своїх дахах. Також було побудовано багато багатомегаватних фотоелектричних електростанцій. Покриття 4% пустельних районів світу фотоелектрикою може забезпечити еквівалент всієї світової електроенергії. Сама пустеля Гобі може забезпечити майже весь загальний попит на електроенергію у світі.

Сонячні теплові електростанції, як на малюнку\(\PageIndex{4}\) b, використовують концентруючі системи сонячних колекторів для збору та концентрації сонячного світла для отримання високотемпературного тепла, необхідного для виробництва електроенергії.

\(\PageIndex{4}\)Рисунок а) Сонячні установки на даху в Дуглас-Холл в Університеті штату Іллінойс в Чикаго не впливають на земельні ресурси, виробляючи електроенергію з нульовими викидами. Джерело: Управління сталого розвитку. b) Сонячна електростанція Solucar PS10 в Андалусії, Іспанія, є сонячною тепловою електростанцією, яка виробляє електроенергію комерційно. (Фото: Афлоресм Солюкар PS10 CC BY 2.0)

Сонячна енергетика має мінімальний вплив на навколишнє середовище, в залежності від того, де вона розміщена. 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.

Енергія біомаси

Енергія біомаси - це енергія, що зберігається в матеріалах біологічного походження, таких як рослини та тварини. Енергія біомаси є найдавнішим джерелом енергії, що використовується людиною. Поки промислова революція не спонукала до переходу на викопне паливо в середині 18 століття, енергія біомаси була домінуючим у світі джерелом палива. В даний час близько 12 відсотків світової енергії надходить з біомаси. Біомаса найчастіше використовується як джерело палива в багатьох країнах, що розвиваються, але зі зниженням доступності викопного палива та зростанням цін на викопне паливо біомаса все частіше використовується як джерело палива навіть у розвинених країнах.

Пряме спалювання твердої біомаси. Найпоширенішим джерелом прямого горіння є деревина, але енергія також може генеруватися спалюванням гною тварин (гною), трав'янистої рослинної сировини (недеревного), торфу (частково розкладеної рослинної та тваринної тканини) або переробленої біомаси, такої як деревне вугілля (деревина, яка була частково спалена для отримання вугільної речовина). 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.

Біомаса також використовується у більших масштабах, де малі електростанції працюють на біомасі, такій як тріска (рис.\(\PageIndex{5}\)). Наприклад, Центральна державна лікарня, Мілледжвілл, штат Джорджія, має установку для спалювання тріски, яка була найсучаснішою системою, доступною для свого часу та працює сьогодні. Університет Колгейт в Гамільтоні, штат Нью-Йорк, мав дров'яний котел з середини 1980-х, який обробляє близько 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 та заощаджуючи університет понад 1,8 мільйона доларів витрат на опалення. Парогенеруюча дров'яна установка університету в даний час задовольняє більше 75 відсотків потреб кампуса в тепло і побутової гарячої води. Для отримання додаткової інформації про це натисніть тут Colgate University.

\(\PageIndex{5}\)Рисунок Електростанція на біомасі (тріска) в Німеччині. Зображення з публічного надбання Вікімедіа.

Газова біомаса. Органічний матеріал може бути перетворений на метан, основний компонент природного газу, шляхом анаеробного розкладання або бродіння - процесу, який використовує анаеробні бактерії. Метан - відносно чисте паливо, яке ефективно згорає. Він може утворюватися з будь-яких органічних відходів, таких як комунальні стічні води та сміття, гній для худоби, кухонні та садові обрізки. Фактично, муніципальні звалища є активними ділянками виробництва метану, що щорічно сприяє метану в атмосфері та глобальному потеплінню. Цей газ може і в даний час захоплюється численними звалищами навколо Сполучених Штатів, які спалюють його для вироблення електроенергії на електростанціях або постачання в будинки для опалення.

Рідке біопаливо. Біопаливо - це транспортне паливо, що виробляється з рослинних джерел і використовується для живлення транспортних засобів. Найбільш поширеними з них є етанол і біодизель.

Етанол, також відомий як етиловий спирт або зерновий спирт, виробляється шляхом ферментації таких культур, як кукурудза, цукрова тростина та інші культури, а потім змішується зі звичайним бензином. Як добавка, етанол знижує залежність від звичайної нафти і підвищує ефективність згоряння бензину, зменшуючи викиди забруднюючих речовин.
Біодизель, який по суті є рослинною олією, також може бути отриманий з широкого спектру рослинних джерел, включаючи ріпак, соняшник та сою, і може використовуватися в більшості звичайних дизельних двигунів. Біодизель також може бути виготовлений з відпрацьованої рослинної олії і виробляється на дуже місцевій основі. Оскільки він горить чистіше, ніж його аналог на основі нафти, біодизель може зменшити забруднення від важких транспортних засобів, таких як вантажівки та автобуси. Порівняно з нафтовим дизелем, спалювання біодизеля виробляє менше оксидів сірки, твердих частинок, чадного газу та незгорілих та інших вуглеводнів, але більше оксиду азоту.

Вплив енергії біомаси на навколишнє середовище

Основною проблемою біомаси є визначення того, чи дійсно вона є більш стійким варіантом. Енергетичний вміст деяких джерел енергії з біомаси може бути не таким високим, як викопне паливо, тому для отримання тієї ж енергії потрібно спалювати більше. Для отримання енергії часто потрібна енергія, а біомаса є одним із прикладів, коли обробка, щоб зробити її, не може бути компенсована енергією, яку вона виробляє. Якщо використовуються традиційні монокультурні культури, такі як кукурудза або соя, їм потрібна велика кількість викопного палива для виробництва добрив, запуску сільськогосподарських машин та доставки палива на ринки, тому це біопаливо не завжди забезпечує значну чисту економію енергії над бензином та дизельним паливом. У таких випадках біопаливо не може бути вуглецево-нейтральним, оскільки процес виробництва біопалива призводить до збільшення кількості CO ₂ в атмосферу, ніж той, що видаляється зростаючими культурами.

Спалювання біомаси безпосередньо (деревина, гній тощо) призводить до високого забруднення твердих частинок (див. Розділ 13 про забруднення повітря), виробляє CO ₂ і позбавляє ґрунт поживних речовин, які він зазвичай отримував би від розкладання органічної речовини. Отже, кожен тип джерела енергії з біомаси повинен бути оцінений на його повний життєвий цикл, щоб визначити, чи дійсно він сприяє стійкості та зменшенню впливу на навколишнє середовище.

Водень: легкий і потужний

Газ водню може стати важливим чистим паливом майбутнього. Водень вважається енергоносієм, як електрика і батареї, він несе енергію, яку можна перетворити для використання пізніше. Газ водню, як правило, не існує вільно, а навпаки, атоми водню зв'язуються з іншими атомами, а молекули входять у все, від води до органічних сполук. Тому для отримання газу водню для палива потрібна енергія, щоб змусити ці речовини вивільнити свої атоми водню. Одна з таких процедур відома як електроліз, при якому через воду пропускається електричний струм для розкладання молекули води на кисень і водень (рис.\(\PageIndex{6}\)). Водень також можна виробляти з вуглеводнів, таких як природний газ та вугілля, бродіння рослинних відходів та використання водоростей.

**Малюнок\(\PageIndex{6}\)** а) Електричний струм, що проходить через воду, що призводить до відділення атомів водню від кисню для отримання водневого палива. б) Електролізер, який використовується у виробництві водню компанією CambridgeBayWeather. Після виробництва водень використовується для надування повітряних куль, до яких прикріплений радіозонд. Вироблений кисень вентилюється назовні.

Паливні елементи - це високоефективні електростанції, які виробляють електроенергію, використовуючи водневе паливо в хімічній реакції, яка є зворотним процесом електролізу, який виробляв водневе паливо (рис.\(\PageIndex{7}\)). Енергія виділяється екзотермічною електрохімічною реакцією, яка поєднує іони водню та кисню через електролітний матеріал для отримання електроенергії та тепла. Розроблено експериментальні паливні елементи, які можуть живити автомобілі (рис.\(\PageIndex{2}\)).

\(\PageIndex{7}\)Малюнок Електрохімічні процеси, що показують, як водневе паливо поєднується з киснем, що генерує теплову енергію разом з водою як відпрацьованим продуктом. Деякі транспортні засоби, які використовують паливний елемент, включають автобуси (фото водневий паливний автобус на Тауерському мосту Лондон, фото Шлам Г.), автомобілі (автомобіль Toyota Fine N на основі технології паливних елементів, фото Кріса 73, CC BY-SA 3.0) і мотоцикли (Suzuki Burgman паливних елементів модель відрізу, показана тут, Фото Маріо CC BY-SA 3.0) .

Виклики водню

В даний час інфраструктура для використання водневого палива не вистачає, і перетворення такої країни, як США, на водень, вимагатиме масового та дорогого розвитку об'єктів для виробництва, зберігання, транспортування та забезпечення палива. Вплив на навколишнє середовище виробництва водню залежить від джерела матеріалу, який використовується для постачання водню. Наприклад, джерела біомаси та викопного палива призводять до викидів на основі вуглецю. Деякі дослідження показують, що витік водню від його виробництва, транспортування та використання може потенційно зруйнувати стратосферний озон. Дослідження цього ще тривають.

Інші відновлювані джерела

Вітроенергетика

Вітер - це відновлюване джерело енергії, яке використовує енергію рухомого повітря для вироблення електроенергії. Вітрові турбіни використовують лопаті для збору кінетичної енергії вітру. Вітер протікає над лопатями, створюючи підйом (аналогічно впливу на крила літака), через що лопаті повертаються. Лопаті з'єднані з приводним валом, який обертає електрогенератор, який виробляє електрику (рис.\(\PageIndex{8}\)). 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.

\(\PageIndex{8}\)Малюнок а) Ця вітрова турбіна в Темзькому лимані у Великобританії є прикладом індукції на роботі (кредит: Phault, Flickr). Вітер штовхає лопаті турбіни, обертаючи вал, прикріплений до магнітів, див. Зображення б для деталей. Магніти обертаються навколо струмопровідної котушки, індукуючи електричний струм в котушці, і в кінцевому підсумку живлять електричну мережу.

Більшість вітряних млинів виробляють близько 1 кВт електроенергії, що практично лише для децентралізованої генерації електроенергії. Каліфорнія налічує близько 17 000 вітряних млинів потужністю близько 1400 МВт. Це близько 80% всіх вітряних млинів в США. У Західній Європі вітряні генератори досить поширені. Оскільки вітрова турбіна має невеликий фізичний слід щодо кількості виробленої електроенергії, багато вітроелектростанцій розташовані на сільськогосподарських, пасовищах, лісових угіддях або прибережних районах. 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 Аппалачських горах 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. Деякі люди відчувають естетичні проблеми, 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 життєвого циклу виявив, що турбіни виробляють набагато більше енергії, ніж кількість, яка використовується для їх виготовлення та встановлення.