Теория:
В течение последних 150 лет человечеством широко использовались уголь, нефть и другие ископаемые виды топлива для производства электроэнергии, без которой невозможна жизнедеятельность современного общества. Таким образом ископаемые виды топлива вошли почти во все сферы деятельности (от бытовых нужд до масштабных производств), а это привело к тому, что парниковые газы, выделяющиеся при сжигании ископаемых видов топлива, достигли наивысших уровней в истории человечества.
Не следует забывать о том, что ископаемое топливо является ограниченным ресурсом, и если мы хотим продолжать жить на нашей планете, то энергия, которую мы используем, должна быть возобновляемой.
Возобновляемая энергия производится из ресурсов, которые нам дает природа. Возобновляемые источники энергии вокруг нас, мы сталкиваемся с ними каждый день. Это ветер, солнце, вода, тепло земли и даже растения.
Возобновляемую энергию ещё называют «чистой энергией» или «зеленой энергией», потому что она не загрязняет окружающую среду.
Активная научно-техническая деятельность по использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) начались с 70-х годов ХХ в. в период мирового энергетического кризиса.
ВИЭ используются как в развитых, так и в развивающихся странах. Больших успехов в развитии возобновляемой энергетики достигли страны, в которых эта отрасль энергетики получила существенную государственную, экономическую и законодательную поддержку, где в ее развитие вкладываются большие средства, в том числе в разработку новых технологий. Это способствует тому, что стоимость многих технологий использования возобновляемых источников энергии и самой получаемой энергии неуклонно снижается благодаря совершенствованию и росту масштабов производства.
Поскольку многие направления «зеленой» энергетики характеризуются непостоянной мощностью (изменчивостью скорости ветра, интенсивностью солнечного излучения, уровнем рек и др.), они используются в сочетании друг с другом и с традиционными источниками энергии.
Существуют различные типы возобновляемых источников энергии и соответствующих отраслей энергетики:
Ветер и ветроэнергетика.
Солнечный свет и солнечная энергетика.
Энергия движущейся воды и гидроэнергетика.
Растения (биомасса) и биоэнергетика.
Тепло Земли и геотермальная энергетика.
Не следует забывать о том, что ископаемое топливо является ограниченным ресурсом, и если мы хотим продолжать жить на нашей планете, то энергия, которую мы используем, должна быть возобновляемой.
Возобновляемая энергия производится из ресурсов, которые нам дает природа. Возобновляемые источники энергии вокруг нас, мы сталкиваемся с ними каждый день. Это ветер, солнце, вода, тепло земли и даже растения.
Возобновляемую энергию ещё называют «чистой энергией» или «зеленой энергией», потому что она не загрязняет окружающую среду.
Активная научно-техническая деятельность по использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) начались с 70-х годов ХХ в. в период мирового энергетического кризиса.
ВИЭ используются как в развитых, так и в развивающихся странах. Больших успехов в развитии возобновляемой энергетики достигли страны, в которых эта отрасль энергетики получила существенную государственную, экономическую и законодательную поддержку, где в ее развитие вкладываются большие средства, в том числе в разработку новых технологий. Это способствует тому, что стоимость многих технологий использования возобновляемых источников энергии и самой получаемой энергии неуклонно снижается благодаря совершенствованию и росту масштабов производства.
Поскольку многие направления «зеленой» энергетики характеризуются непостоянной мощностью (изменчивостью скорости ветра, интенсивностью солнечного излучения, уровнем рек и др.), они используются в сочетании друг с другом и с традиционными источниками энергии.
Существуют различные типы возобновляемых источников энергии и соответствующих отраслей энергетики:
Ветер и ветроэнергетика.
Солнечный свет и солнечная энергетика.
Энергия движущейся воды и гидроэнергетика.
Растения (биомасса) и биоэнергетика.
Тепло Земли и геотермальная энергетика.
Энергия биомассы
Биомасса - это органические вещества, которые образуются в растениях в результате фотосинтеза и могут быть использованы для получения энергии.
Биомасса часто ошибочно описывается как чистое возобновляемое топливо и более экологичная альтернатива углю и другим ископаемым видам топлива для производства электроэнергии. Однако последние научные исследования показывают, что многие виды биомассы, особенно в лесах, производят даже больше углерода, чем ископаемое топливо. Тем не менее, некоторые формы энергии биомассы могут служить вариантом топлива с низким уровнем выбросов углерода при определенных условиях. Например, низкоуглеродистым источником энергии могут быть опилки и щепа, образующиеся на лесопильных заводах, которые в противном случае могли бы быстро разлагаться и выделять углерод.
Рис. Энергия биомассы
Твердую биомассу, такую как древесина и древесные отходы, можно сжигать напрямую для производства тепла. Биомасса также может быть преобразована в газ, называемый биогазом, или в жидкое биотопливо, такое как этанол и биодизель. Затем эти виды топлива можно сжигать для получения энергии.
Биогаз (еще его называют свалочный газ) образуется при разложении бумаги, отходов и бытовых отходов на свалках и также может быть получен путем обработки сточных вод и навоза животных в специальных емкостях, называемых метановые реакторы. Когда мусор разлагается, он выделяет газ, называемый метаном. С помощью специального оборудования можно собирать газ, выделяющийся на мусорных свалках, и использовать его для получения тепла или даже электроэнергии.
Этанол производится из таких культур, как кукуруза и сахарный тростник. Они ферментируются для производства топливного этанола для использования в транспортных средствах. Биодизель производится из растительных масел и животных жиров и может использоваться в транспортных средствах и в качестве мазута.
Вот некоторые биоматериалы, которые можно использовать для получения энергии:
Биогаз (еще его называют свалочный газ) образуется при разложении бумаги, отходов и бытовых отходов на свалках и также может быть получен путем обработки сточных вод и навоза животных в специальных емкостях, называемых метановые реакторы. Когда мусор разлагается, он выделяет газ, называемый метаном. С помощью специального оборудования можно собирать газ, выделяющийся на мусорных свалках, и использовать его для получения тепла или даже электроэнергии.
Этанол производится из таких культур, как кукуруза и сахарный тростник. Они ферментируются для производства топливного этанола для использования в транспортных средствах. Биодизель производится из растительных масел и животных жиров и может использоваться в транспортных средствах и в качестве мазута.
Вот некоторые биоматериалы, которые можно использовать для получения энергии:
- остатки древесины от лесопилок;
- отходы бумаги и древесные отходы от бумажных комбинатов;
- зеленые части сельскохозяйственных культур, например, стебли и початки кукурузы;
- отходы бумаги и картона, которые нельзя использовать повторно (загрязненные или смешанные с другими видами отходов), пищевые отходы;
- быстрорастущие культуры и деревья.
Биомасса является одним из древнейших источников энергии, однако ее использование до недавнего времени сводилось к прямому сжиганию на открытом огне или в печах и топках, что не очень эффективно.
Современные технологии по использованию биомассы для получения энергии являются экологически более безопасными по сравнению с энергетическим использованием традиционных органических ресурсов, таких как уголь.
Современные технологии по использованию биомассы для получения энергии являются экологически более безопасными по сравнению с энергетическим использованием традиционных органических ресурсов, таких как уголь.
Рис. Электростанция на биомассе, Германия
Потенциальные ресурсы растительной биомассы, которые могут использоваться в качестве источника энергии, достигают 100 млрд. тонн условного топлива. В настоящее время в мировом энергобалансе растительная биомасса (в основном дрова) не превышает 1% от этой цифры (около 12% от общего энергопотребления).
Однако при применении современных технологий доля биомассы в мировом энергобалансе может значительно вырасти.
В части использования биомассу можно разделить на две основные группы: первичную биомассу и вторичную. Источник первичной биомассы - наземный и водный растительный мир, вторичной – отходы биомассы, образующиеся после сбора и переработки первичной биомассы в товарные продукты, и отходы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности животных и людей.
Технологии использования биомассы постоянно совершенствуются, но энергия из органических отходов получается либо физическим, либо химическим, либо микробиологическим методом.
Физическим методом энергию получают путем сжигания органических отходов. Это самый старый способ получения энергии из биомассы. В промышленности он реализован как прямое сжигание в котле и затем генерирование электроэнергии в паротурбинной установке.
Основой химического метода является использование процессов пиролиза, при которых происходит химическое преобразование одних органических соединений в другие под воздействием теплоты без доступа окислителей (кислорода, воздуха). В зависимости от технологии могут быть получены топливные газы или жидкость. Сюда же относится и процесс газификации биомассы. Это преобразование твердых отходов биомассы в горючие газы путём неполного их окисления воздухом (кислородом, водяным паром) при высокой температуре. В результате данного процесса получают генераторные газы, которые можно использовать в качестве топлива для получения тепловой энергии в быту, а также в промышленности.
Однако самым распространенным в мире является микробиологический метод, под которым понимается получение биогаза сбраживанием без доступа кислорода. Весьма ценным вторичным продуктом производства биогаза являются высококачественные органические удобрения из сброженного осадка, оставшегося после получения биогаза.
В большинстве стран мира производство биогаза осуществляется в значительных масштабах. В Западной Европе эксплуатируется около 1000 биогазовых установок среднего размера. Несколько миллионов установок приусадебного типа есть в Индии. В Китае только больших и средних биогазовых установок более 10 млн.
Однако при применении современных технологий доля биомассы в мировом энергобалансе может значительно вырасти.
В части использования биомассу можно разделить на две основные группы: первичную биомассу и вторичную. Источник первичной биомассы - наземный и водный растительный мир, вторичной – отходы биомассы, образующиеся после сбора и переработки первичной биомассы в товарные продукты, и отходы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности животных и людей.
Технологии использования биомассы постоянно совершенствуются, но энергия из органических отходов получается либо физическим, либо химическим, либо микробиологическим методом.
Физическим методом энергию получают путем сжигания органических отходов. Это самый старый способ получения энергии из биомассы. В промышленности он реализован как прямое сжигание в котле и затем генерирование электроэнергии в паротурбинной установке.
Основой химического метода является использование процессов пиролиза, при которых происходит химическое преобразование одних органических соединений в другие под воздействием теплоты без доступа окислителей (кислорода, воздуха). В зависимости от технологии могут быть получены топливные газы или жидкость. Сюда же относится и процесс газификации биомассы. Это преобразование твердых отходов биомассы в горючие газы путём неполного их окисления воздухом (кислородом, водяным паром) при высокой температуре. В результате данного процесса получают генераторные газы, которые можно использовать в качестве топлива для получения тепловой энергии в быту, а также в промышленности.
Однако самым распространенным в мире является микробиологический метод, под которым понимается получение биогаза сбраживанием без доступа кислорода. Весьма ценным вторичным продуктом производства биогаза являются высококачественные органические удобрения из сброженного осадка, оставшегося после получения биогаза.
В большинстве стран мира производство биогаза осуществляется в значительных масштабах. В Западной Европе эксплуатируется около 1000 биогазовых установок среднего размера. Несколько миллионов установок приусадебного типа есть в Индии. В Китае только больших и средних биогазовых установок более 10 млн.
Рис. Биогазовые реакторы
Биогаз позволяет получать тепловую и электрическую энергию локально, что очень привлекательно для фермерских хозяйств, которые таким образом и утилизируют образующие отходы органического происхождения, и получают энергию. Если активно использовать эти технологии в сельских регионах, можно значительно снизить использование ископаемого топлива.
Для получения биогаза также могут использоваться водоросли (водяная растительная биомасса). Одной из самых продуктивных водорослей считается бурая водоросль макроцистис, которая растет в прибрежной зоне морей и океанов, ее урожайность составляет 450– 1200 т сырой массы с 1 га. А из каждой тонны другой водоросли – хлореллы- можно получить 22 млн. кДж энергии. Для данной технологии подходят также и другие водоросли: дуналиэла, водяной гиацинт, красная водоросль и др.
Геотермальная энергетика
Геотермальная энергия - это тепло внутри земли. Слово геотермальный происходит от греческих слов гео (земля) и терме (тепло). Геотермальная энергия является возобновляемым источником энергии. Люди используют геотермальное тепло для купания, обогрева зданий и выработки электроэнергии.
Рис. Тепло Земли: кратер вулкана
Основным источником геотермальной энергии служит направленный к поверхности Земли поток тепла из раскаленных недр. Земная кора нагревается в результате трения ядра, радиоактивного распада элементов (подобно торию и урану), химических реакций. В отличие от солнечной и ветровой энергии, геотермальная энергия не зависит от погоды.
Различают пять основных типов геотермальной энергии:
- нормальное поверхностное тепло Земли на глубине от 1,5 до 150 метров;
- резервуары горячей или теплой воды, которые в большинстве случаев сами выливаются на поверхность;
- месторождения горячего пара и пароводяной смеси, выходящие из недр на поверхность;
- теплота сухих горных пород;
- магма (нагретые до 1300°С расплавленные горные породы).
Запасы геотермальной энергии огромны. Во многих странах (Венгрии, Исландии, Италии, Мексике, Новой Зеландии, России, США, Японии) она широко используется для теплоснабжения, выработки электроэнергии. Например, Исландия расположена в районе с большим количеством вулканов. В Исландии 26,5% всей электроэнергии вырабатывается за счет геотермальной энергии. Около 87% домов в этой стране находятся на геотермальном отоплении.
Рис. Горячие гейзеры в Исландии
Геотермальная энергия обеспечивает теплом столицу Исландии Рейкьявик. В 1943 г. там на глубину от 440 до 2400 м были пробурены 32 скважины, по которым к поверхности поднимается горячая вода с температурой от 60 до 130°С. Некоторые из этих скважин действуют и по сей день.
Таким образом, геотермальная энергетика использует тепловую энергию недр Земли для производства электрической энергии на геотермальных электростанциях, а также в теплоэнергетике (для отопления жилья и/или горячего водоснабжения).
Существует три типа геотермальных электростанций:
Таким образом, геотермальная энергетика использует тепловую энергию недр Земли для производства электрической энергии на геотермальных электростанциях, а также в теплоэнергетике (для отопления жилья и/или горячего водоснабжения).
Существует три типа геотермальных электростанций:
- станции, работающие на месторождениях сухого пара (самая старая технология, при которой турбина напрямую подведена к трещине в земле);
- станции с парообразователем, работающие на месторождениях горячей воды под давлением (установки под высоким давлением превращают горячую воду в более холодную, при этом образуется пар, который и приводит в движение турбину).
- станции с бинарным циклом, на которых геотермальная теплота передается вторичной жидкости (здесь уже вторичная жидкость приводит в движение турбину).
Геотермальные установки оставляют самый незначительных углеродный след и оказывают минимальное воздействие на окружающую среду, поскольку не выделяют вредных химических веществ в атмосферу при производстве электроэнергии.
Геотермальные системы отопления и кондиционирования популярны и используются во многих странах. Они работают по принципу теплового насоса (как холодильник, только наоборот).
Как это работает?
Известно, что на расстоянии полутора метров под землей (от 1,5 м. и до 150 м.) температура земли постоянна в любое время года и составляет около +8°С. На данной (и более) глубине располагается система труб (замкнутый контур). В холодное время года система прокачивает жидкость по трубам для поглощения тепла и поставляет его в помещения. Устройство под названием «теплообменник» забирает тепло у жидкости и использует его для обогрева воздуха внутри дома.
Геотермальные системы отопления и кондиционирования популярны и используются во многих странах. Они работают по принципу теплового насоса (как холодильник, только наоборот).
Как это работает?
Известно, что на расстоянии полутора метров под землей (от 1,5 м. и до 150 м.) температура земли постоянна в любое время года и составляет около +8°С. На данной (и более) глубине располагается система труб (замкнутый контур). В холодное время года система прокачивает жидкость по трубам для поглощения тепла и поставляет его в помещения. Устройство под названием «теплообменник» забирает тепло у жидкости и использует его для обогрева воздуха внутри дома.
Рис. Горизонтальный геотермальный тепловой насос (перед установкой на глубину).
Геотермальная система работает и в обратном направлении, поглощая тепло из воздуха внутри помещения и отдавая его земле. Таким образом она может также охлаждать дом летом.