какие современные источники энергии вы знаете
Виды источников энергии и их использование
Люди используют различные виды энергии для всего, от собственных движений до отправки космонавтов в космос.
Существует два типа энергии:
Поставляется в различных формах:
Например пища, которую человек ест содержит химическую и тело человека хранит её пока он или она израсходует как кинетическую во время работы или жизни.
Классификация видов энергии
Источники энергии делятся на две группы:
Возобновляемые и невозобновляемые источники можно использовать в качестве первичных для получения пользы, такого как тепло или использовать для производства вторичных энергетических источников, таких, как электричество.
Возобновляемые
Есть пять основных возобновляемых источников энергии:
Биомасса, которая включает древесину, биотопливо и отходы биомассы, является крупнейшим источником возобновляемой энергии, на которую приходится около половины всех возобновляемых и около 5% от общего объема потребления.
Невозобновляемые
Большая часть ресурсов, потребляемых в настоящее время из невозобновляемых источников:
На невозобновляемые виды энергии приходится около 90% всех используемых ресурсов.
Сырая нефть, природный газ и уголь представляют ископаемые виды топлива, поскольку они были сформированы в течение миллионов лет под действием Солнца, тепла от ядра земли и давления почвы на остатки (или окаменелости) из отмерших растений и существ как микроскопическая диатомия. Большинство нефтяных продуктов, потребляемых в мире изготовлены из сырой нефти, но нефтяные жидкости также могут быть сделаны из природного газа и угля.
Ядерная энергетика работает больше на уране, источнике невозобновляемого топлива, чьи атомы делятся (с помощью процесса, называемого ядерным делением) для создания тепла и, в конечном счете, электричества.
Основными пользователями этих запасов являются жилые и коммерческие здания, промышленность, транспорт и электроэнергетика. Характер использования топлива широко варьируется в зависимости от системы применения. Например, нефть обеспечивает 92% топлива, используемого для транспортировки, но обеспечивает лишь около 1% ресурсов, используемых для выработки электроэнергии. Понимание взаимосвязей между различными видами энергии и её использование дает представление о многих важных вопросах энергетики.
Первичная энергия
Электричество является вторичным источником, который создается с помощью этих первичных форм. Например, уголь является первичным источником, который сжигается на электростанциях для выработки электроэнергии, которая является вторичным источником.
Первичные виды энергии обычно измеряются в различных единицах, например, баррелях нефти, кубометрах газа, тоннах угля. Также используется общая единица измерения британская тепловая единица, или БТЕ, для измерения содержания для каждого типа.
BTU — британская тепловая единица (БТЕ) Россия потребляет квадриллионы БТЕ.
В терминах физических величин, один квадриллион составляет примерно 172 миллиона баррелей нефти, 51 млн. тонн угля или 1 трлн. куб. м газа.
На нефть приходится наибольшая доля в потреблении первичной энергии, затем природный газ, уголь, атомные электростанции и возобновляемые источники энергии (включая гидроэнергию, ветра, биомассы, геотермальные, солнечные).
Как распределяются виды энергии в каждой системе
Различные виды энергии используются в жилых и коммерческих зданиях, на транспорте, в промышленности и электроэнергетике. Электроэнергетическая система является крупнейшим потребителем первичной и используется для выработки электроэнергии. Почти вся электроэнергия используется в зданиях и промышленности. Общее количество электроэнергетической системы, используемой в жилых и коммерческих зданиях, промышленности и транспорте огромное.
Смесь первичных источников широко варьируется в различных системах спроса. Энергетическая политика, призванная повлиять на использование конкретного основного источника с целью повлиять на окружающую среду, экономическую или энергетическую безопасность сосредоточивается на системах, которые являются основными пользователями этого типа энергии. Например, 71% нефти используется в транспортной системе, где она потребляет 92% от общего объема первичного энергопотребления.
Политика по сокращению потребления нефти чаще всего относится к транспортной системе. Эта политика обычно стремится увеличить эффективность автомобильного топлива или поощрять развитие альтернативных видов топлива.
Около 91% угля и только 1% из нефти, используется для выработки электроэнергии, что выявляет стратегию, влияющую на выработку электроэнергии, и имеет гораздо большее значение на использование угля, чем использование нефти.
Однако электроэнергетика с внедрением новых технологий больше использует различные источники энергии для выработки электричества. Например, идут практические реализации для получения электричества из биомассы.
Изменяется ли потребление топлива с течением времени
Источники потребляемой энергии с течением времени меняются, но изменения происходят медленно. Например, уголь когда-то широко использовался в качестве топлива для отопления домов и коммерческих зданий, однако конкретное использование угля для этих целей сократилось за последние полвека.
Хотя доля возобновляемого топлива от общего потребления первичной энергии еще относительно невелика, его использование растет во всех отраслях. Кроме того, использование природного газа в электроэнергетике возросло в последние годы из-за низких цен на природный газ, в то время как использование угля в этой системе сократилось.
Как альтернативные источники энергии помогают получать тепло и электричество
Ухудшение экологии и истощение природных ресурсов заставляет задумываться о том, как получать электричество и тепло из возобновляемых источников.
В этой статье рассказываем, как работает альтернативная энергия и почему многие страны делают выбор в её пользу.
Что такое альтернативная энергия?
Энергия бывает возобновляемой (альтернативной) и невозобновляемой (традиционной).
Альтернативные источники энергии – это обычные природные явления, неисчерпаемые ресурсы, которые вырабатываются естественным образом. Такая энергия ещё называется регенеративной или «зелёной».
Невозобновляемые источники – это нефть, природный газ и уголь. Им ищут замену, потому что они могут закончиться. Ещё их использование связано с выбросом углекислого газа, парниковым эффектом и глобальным потеплением.
Человечество получает энергию, в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и работы атомных электростанций. Альтернативная энергетика – это методы, которые отдают энергию более экологичным способом и приносят меньше вреда. Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах для отопления, горячей воды, освещения, работы электроники.
Ресурсы возобновляемой энергии
Альтернативные виды энергии
1. Солнечная энергия
Один из самых мощных видов альтернативных источников энергии. Чаще всего её преобразуют в электричество солнечными батареями. Всей планете на целый год хватит энергии, которую солнце посылает на Землю за день. Впрочем, от общего объёма годовая выработка электроэнергии на солнечных электростанциях не превышает 2%.
Основные недостатки – зависимость от погоды и времени суток. Для северных стран извлекать солнечную энергию невыгодно. Конструкции дорогие, за ними нужно «ухаживать» и вовремя утилизировать сами фотоэлементы, в которых содержатся ядовитые вещества (свинец, галлий, мышьяк). Для высокой выработки необходимы огромные площади.
Солнечное электричество распространено там, где оно дешевле обычного: отдалённые обитаемые острова и фермерские участки, космические и морские станции. В тёплых странах с высокими тарифами на электроэнергию, оно может покрывать нужны обычного дома. Например, в Израиле 80% воды нагревается солнечной энергией.
2. Ветроэнергетика
Запасов энергии ветра в 100 раз больше запасов энергии всех рек на планете. Ветровые станции помогают преобразовывать ветер в электрическую, тепловую и механическую энергию. Главное оборудование – ветрогенераторы (для образования электричества) и ветровые мельницы (для механической энергии).
Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит – особенно в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. К началу 2016 года мощность всех ветрогенераторов обогнала суммарную установленную мощность атомной энергетики.
Недостаток в том, что её нельзя контролировать (сила ветра непостоянна). Ещё ветроустановки могут вызывать радиопомехи и влиять на климат, потому что забирают часть кинетической энергии ветра – правда, учёные пока не знают хорошо это или плохо.
3. Гидроэнергия
Чтобы преобразовать движение воды в электричество нужны гидроэлектростанции (ГЭС) с плотинами и водохранилищами. Их ставят на реках с сильным потоком, которые не пересыхают. Плотины строят для того, чтобы добиться определённого напора воды – он заставляет двигаться лопасти гидротурбины, а она приводит в действие электрогенераторы.
Строить ГЭС дороже и сложнее относительно обычных электростанций, но цена электричества (на российских ГЭС) в два раза ниже. Турбины могут работать в разных режимах мощности и контролировать выработку электричества.
4. Волновая энергетика
Есть много способов генерации электричества из волн, но эффективно работают только три. Они различаются по типу установок на воде. Это камеры, нижняя часть которых погружена в воду, поплавки или установки с искусственным атоллом.
Такие волновые электростанции передают кинетическую энергию морских или океанических волн по кабелю на сушу, где она на специальных станциях преобразуется в электричество.
Этот вид используется мало – 1% от всего производства электроэнергии в мире. Системы тоже дорогие и для них нужен удобный выход к воде, который есть не у каждой страны.
5. Энергия приливов и отливов
Эту энергию берут от естественного подъёма и спада уровня воды. Электростанции ставят только вдоль берега, а перепад воды должен быть не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.
Приливы и отливы хорошо изучены, поэтому этот источник более предсказуем относительно других. Но освоение технологий было медленным и их доля в глобальном производстве мала. Кроме того, приливные циклы не всегда соответствуют норме потребления электричества.
6. Энергия температурного градиента (гидротермальная энергия)
Морская вода имеет неодинаковую температуру на поверхности и в глубине океана. Используя эту разницу, получают электроэнергию.
Первая установка, которая даёт электричество за счёт температуры океана была сделана ещё в 1930 году. Сейчас есть океанические электростанции закрытого, открытого и комбинированного типа в США и Японии.
7. Энергия жидкостной диффузии
Это новый вид альтернативного источника энергии. Осмотическая электростанция, установленная в устье реки, контролирует смешение солёной и пресной воды и извлекает энергию из энтропии жидкостей.
Выравнивание концентрации солей даёт избыточное давление, которое запускает вращение гидротурбины. Пока есть только одна такая энергетическая установка в Норвегии.
8. Геотермальная энергия
Геотермальные станции берут внутреннюю энергию Земли – горячую воду и пар. Их ставят в вулканических районах, где вода у поверхности или добраться до неё можно пробурив скважину (от 3 до 10 км.).
Извлекаемая вода отапливает здания напрямую или через теплообменный блок. Ещё её перерабатывают в электричество, когда горячий пар вращает турбину, соединённую с электрогенератором.
Недостатки: цена, угроза температуре Земли, выбросы углекислого газа и сероводорода.
Больше всего геотермальных станций в США, Филиппинах, Индонезии, Мексике и Исландии.
9. Биотопливо
Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.
Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.
Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.
Плюсы и минусы альтернативной энергии
Главная перспектива альтернативных источников – существования человечества даже в условиях жёсткого дефицита нефти, газа и угля.
Преимущества:
Недостатки и проблемы:
Возобновляемая энергия в мире
Главный потребитель возобновляемых источников энергии – Евросоюз. В некоторых странах альтернативная энергетика вырабатывает почти 40% от всей электроэнергии. Там уже прижились разные меры поддержки: скидочные тарифы на подключение и возврат денег за покупку оборудования. Не отстают страны Востока и США.
Германия
40% электроэнергии в Германии дают возобновляемые источники. Она лидер по числу ветровых установок, которые генерируют 20,4 % электричества. Оставшаяся доля приходится на гидроэнергетику, биоэнергетику и солнечную энергетику. Немецкое правительство поставило план: вырабатывать 80% энергии за счёт альтернативных источников к 2050 году, но закрывать атомные электростанции пока не хочет.
Исландия
У Исландии очень много горячей воды, потому что она расположилась в зоне вулканической активности. Страна обеспечивает 85% домов отоплением из геотермальных источников и покрывает ими 65% потребностей населения в электроэнергии. Мощность источников настолько велика, что они хотят наладить экспорт энергии в Великобританию.
Швеция
После нефтяного кризиса 1973 года страна стала искать другие источники энергии. Началось всё с ГЭС и АЭС. Из-за атомных станций шведов часто критиковали Greenpeace, но с конца 80-х доля энергии от АЭС не растёт.
Начиная с 90-х Швеция строит оффшорные ветропарки в море. На выбросы предприятиями углерода в атмосферу введён дополнительный налог, а для производителей ветровой, солнечной и биоэнергии есть льготы.
Ещё Швеция активно использует энергию от переработки мусора и даже планирует его закупать у соседних стран, чтобы отказаться от нефти. Некоторые города получают тепло от мусоросжигательных заводов.
Китай
В Китае самая мощная ГЭС в мире – «Три ущелья». По состоянию на 2018 год – это крупнейшее по массе сооружение. Её сплошная бетонная плотина весит 65,5 млн тонн. За 2014 станция произвела рекордные для мира 98,8 млрд кВт⋅ч.
Крупнейшие ветровые ресурсы тоже здесь (три четверти из них поставлены в море). К 2020 году страна планирует выработать при их помощи 210 ГВт.
Ещё тут 2 700 геотермальных источников и делают 63% устройств для преобразования солнечной энергии. Китай занимает третье место в производстве биотоплива на основе этанола.
Альтернативная энергия в России
Разное географическое положение регионов и специфика климатических поясов в России не позволяют развивать эту отрасль равномерно. Нет инвестиций и есть пробелы в законе.
Виды возобновляемой энергии в России
Солнечная энергия
Используется и в промышленных масштабах, и у местного населения как резервный или основной источник тепла и электричества. Мощность всех солнечных установок – 400 МВт, из них самые крупные в Самарской, Астраханской, Оренбургской областях и Крыму. Самая мощная СЭС – «Владиславовка» (Крым). Ещё разрабатываются проекты для Сибири и Дальнего Востока.
Ветровая энергетика
Ветровая возобновляемая энергия в России представлена чуть хуже, чем солнечная, хотя и здесь есть промышленные установки. Общая мощность ветровых генераторов в нашей стране – 183,9 МВт (0,08 % от всей энергосистемы). Больше всего установок – в Крыму, а мощнейшая находится в Адыгее – «Адыгейская ВЭС».
Гидроэнергетика
Это самый популярный вариант альтернативного источника энергии в России. Около 200 речных ГЭС вырабатывают до 20% от всей энергии в стране. В заливе Кислая губа в Мурманской области с 1968 года есть приливная электростанция – «Кислогубская ПЭС». Самая крупная ГЭС стоит на реке Енисей – «Саяно-Шушенская».
Геотермальная энергетика
За счёт обилия вулканов этот вид энергетики распространён на Камчатке. Там 40% потребляемой энергии генерируется на геотермальных источниках. По данным учёных, потенциал Камчатки оценивается в 5000 МВт, а вырабатывается только 80 МВт энергии в год. Ещё геотермальные станции есть на Курилах, Ставропольском и Краснодарском крае.
Биотопливо
Наша страна входит в тройку экспортёров пеллет на европейском рынке. В России есть заводы, создающие из остатков древесины пеллеты и брикеты, которыми топят котлы и печки.
Сельскохозяйственные отходы преобразуют в жидкое топливо и биогаз для дизельных двигателей. А вот свалочный газ не используется вообще, его просто выбрасывают в атмосферу, нанося ущерб окружающей среде.
Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии
Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.
First Solar Inc.
Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.
Vestas Wind Systems A/S
Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.
Atlantica Yield PLC
Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.
ABB Ltd. Asea Brown Boveri
Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.
Традиционные, современные и будущие источники энергии 21 века
Ученые спешат найти источники энергии будущего, чтобы улучшить окружающую среду и уменьшить зависимость от нефти и других видов ископаемого топлива.
Некоторые предсказывают что энергия будущего это водородные топливные элементы. Другие говорят, что солнце — это путь. Более дикие схемы включают в себя ветряные турбины высоко в воздухе или двигатель на антивеществе.
Рассмотрим, что будет представлять собой энергия будущего в 21 веке и позднее.
Энергия антивещества
Антивещество является аналогом материи, состоящей из античастиц, которая имеют ту же массу, что и обычная материя, но с противоположными атомными свойствами, известными как спин и заряд.
Энергия будущего в виде прообраза антивещества уже используется в медицинской технике визуализации, известной как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), но ее использование в качестве потенциального источника топлива остается в сфере научной фантастики.
Проблема антивещества в том, что во Вселенной его очень мало. Антивещество можно произвести в лабораториях, но в настоящее время только в очень малом количестве и при непомерно высоких ценах. И даже если проблема производства может быть решена, все равно остается главный вопрос в том, как хранить то, что имеет тенденцию уничтожать себя при контакте с обычной материей, а также как использовать эту энергию антивещества, когда-то созданную.
Ученые проводят исследования по созданию антивещества, которое могло бы однажды переправить человечество к звездам, но мечты о звездолетах, работающих на энергии антивещества все еще далеки, согласны все эксперты.
Водородные топливные элементы
На первый взгляд водородные топливные элементы могут показаться идеальной альтернативой ископаемым видам топлива. Они могут произвести электричество используя только водород и кислород без особого загрязнения.
К сожалению, в то время как водород является самым распространенным элементом во Вселенной, большая его часть связана с молекулами, такими как вода. Это означает, что чистый несвязанный водород должен производиться с помощью других ресурсов, которые во многих случаях связаны с ископаемым топливом. Если это так, то многие экологические преимущества водорода как топлива ничтожны. Другая проблема с водородом что его нельзя сжать легко или безопасно и требуются особые баки для хранения. Кроме того, по причинам, которые не до конца понятны, маленькие атомы водорода имеют тенденцию к проникновению через материалы баков.
Ядерная
В настоящее время большинство атомных электростанций используют деление, и для производства требуется поддержание необходимых температур.
Также известно природное явление, как сонолюминесценция.
Сонолюминесценция относится к вспышке света, когда специальные жидкости создают высокоэнергетические звуковые волны. Звуковые волны разрывают жидкость и производят крошечные пузырьки, которые быстро расширяются, а затем сильно разрушаются. Свет производится в процессе, но что более важно, внутренности взрывающихся пузырьков достигают чрезвычайно высоких температур и давлений. Ученые предполагают что этого может быть достаточно для ядерного синтеза.
Ученые также экспериментируют с методами создания управляемого ядерного синтеза, ускоряя «тяжелые» ионы водорода в мощном электрическом поле.
Преобразование тепловой энергии океана
Океаны покрывают 70 процентов Земли, а вода является природным солнечным коллектором энергии будущего. Преобразование тепла океана происходит путем использования температурных различий между поверхностными водами нагреваемыми солнцем и водой в холодных глубинах океана для выработки электричества.
Преобразование тепловой энергии океана может работать по следующему принципу:
Тепловую энергию океана используют и для добычи пресной воды и богатых питательными веществами морской воды извлекаемой из глубин океана для культивирования морских организмов и растений. Главный недостаток тепловой энергии океана, что необходимо работать на таких малых разницах температуры, вообще около 20 градусов по Цельсию где эффективность от 1 до 3 процента.
Гидроэлектроэнергия
Падающую, пропускающую или в противном случае двигающую воду с древних времен уже обуздали для производства электричества.
Недавние исследования, однако, оспаривают некоторые из этих утверждений и предполагают, что гидроэлектрические плотины могут производить значительное количество углекислого газа и метана за счет распада погруженного в воду растительного материала. В некоторых случаях эти выбросы конкурируют с выбросами электростанций, работающих на ископаемом топливе. Еще одним недостатком плотин является то, что людей часто нужно переселять. В случае строительства плотин в трех ущельях в Китае, который стал самой большой плотиной в мире 1,9 миллиона человек были перемещены, а исторические места были затоплены и потеряны.
Биомасса
Источником энергии будущего является биомасса или биотопливо, которое включает в себя высвобождение химических ресурсов, хранящихся в органических веществах, таких как древесина, сельскохозяйственные культуры и животные отходы. Эти материалы сжигаются непосредственно для получения тепла или очищаются для создания алкогольного топлива, такого как этанол.
Но в отличие от некоторых других возобновляемых источников энергии, энергия биомассы не является чистой, так как при сжигании органического вещества производится большое количество углекислого газа. Однако можно компенсировать или устранить эту разницу, посадив быстрорастущие деревья и травы в качестве топлива. Ученые также экспериментируют с использованием бактерий для разрушения биомассы и получения водорода для использования в качестве топлива.
Одно интересное, но спорное альтернативное биотопливо включает в себя процесс, известный как тепловая конверсия.
Нефть
Некоторые называют это черным золотом. На этом основаны целые империи, из-за которых ведутся войны. Одна из причин, почему нефть или сырая нефть, так ценна, потому что она может быть преобразована в различные продукты, от керосина до пластика и асфальта. Является ли это источником энергии будущего горячо обсуждается.
Оценки того, сколько нефти осталось в земле, сильно различаются. Некоторые ученые прогнозируют, что запасы нефти достигнут пика, а затем быстро сократятся; другие считают, что будет открыто достаточно новых запасов для удовлетворения мировых энергетических потребностей в течение еще нескольких десятилетий.
Подобно углю и природному газу, нефть является относительно дешевой по сравнению с другим альтернативным топливом, но её использование связано с более высокими издержками экологического ущерба. Использование нефти производит большое количество углекислого газа, а разливы нефти могут повредить хрупкие экосистемы.
Ветер
Взяв концепцию ветряных мельниц на шаг дальше и выше, ученые хотят создавать электростанции в небе, плавающие в воздухе ветряные мельницы на высоте от 1000 метров. Устройство с винтами будет стабилизироваться на одном месте, а электричество будет подаваться на землю через кабель.
Энергия ветра в настоящее время составляет всего 0,1 процента от мирового спроса на электроэнергию. Это число, как ожидается, увеличится, поскольку ветер является одной из самых чистых форм энергии и может генерировать энергию до тех пор пока дует ветер.
Проблема, конечно, в том, что ветры не всегда дуют, и на ветроэнергетику нельзя полагаться, чтобы производить постоянное электричество. Существует также озабоченность по поводу того, что ветряные электростанции могут оказывать влияние на местную погоду таким образом, который еще предстоит полностью понять.
Уголь
Уголь был топливом, которое привело в действие промышленную революцию, и с тех пор он играет все более важную роль в удовлетворении мировых энергетических потребностей.
Пока свое обилие делает его очень экономичным, однако при горении уголь выпускает примеси серы и азота в воздух, который может совместиться с водой в атмосфере для того чтобы сформировать кислотный дождь. Сжигание угля также производит большое количество углекислого газа, который по мнению большинства климатологов, способствует глобальному потеплению. Серьезные усилия прилагаются, чтобы найти новые способы уменьшить отходы и побочные продукты добычи угля.
Солнечная энергия
Солнечная энергия не требует никакого дополнительного топлива и загрязнения не происходит. Солнечный свет можно концентрировать в виде тепла или преобразовать в электричество используя фотоэлектрический или фотовольтаический эффект через синхронизированные зеркала которые отслеживают движение солнца через небо. Ученые также разработали методы использования солнечной энергии будущего для замены газового двигателя нагревом водородного газа в резервуаре, который расширяется и приводит в движение генератор.
К недостаткам солнечной энергии можно отнести высокие начальные затраты, а также потребность в больших пространствах. Также для большинства альтернатив выход солнечной энергии будущего подвержен капризам загрязнения воздуха и погоды, которые могут блокировать солнечный свет.