Альтернативные источники энергии: почему они нужны всем

МОСКВА, 19 дек — ПРАЙМ. Использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ) человечество стало раньше, чем научилось добывать уголь, нефть и газ. Однако со временем потребление энергии росло — человеку индустриального общества требовалось уже в 100 раз больше энергии, чем в первобытную эпоху. И тогда обеспечить стабильную поставку таких мощностей стало возможным благодаря сжиганию ископаемого топлива. 

Сейчас человечество снова задумалось об использовании альтернативных источников энергии, так как запасы нефти и газа исчерпаемы, а их использование наносит большой вред окружающей среде, но уже на совершенно другом уровне. Ведь перемолоть муку на ветряной мельнице или обеспечить электроэнергией целый город с помощью ветрогенераторов — задачи разного масштаба. 

К основным видам ВИЭ сегодня относят гидроэнергетику, ветроэнергетику, гелиоэнергетику. В некоторых местах можно развивать волновую и геотермальную энергетику.

САМЫЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ВИЭ

Гидроэнергетика — самый распространенный способ добычи энергии из неисчерпаемого источника, теоретический потенциал которого оценивается в 30-40 ТВт·ч в год. Для ее работы необходимо построить плотину, разместить турбины, которые будет крутить вода. Явным преимуществом является стабильность выработки энергии и возможность ее контролировать, изменяя скорость потока воды. Среди недостатков — резкое изменение уровня воды в искусственных водохранилищах, нарушение нерестового цикла рыб и снижение количества кислорода в воде, что вредит флоре и фауне водоема.

Хитрости бизнеса. Как офшоры помогают компаниям экономить на налогах

 

Еще один перспективный источник — ветроэнергетика. Для добычи энергии таким способом необходимо установить специальные турбины, которые будет вращать ветер, за счет чего будет вырабатываться электричество. Ветряные турбины легко и дешево обслуживать, они не занимают много места, вращаются на высоте от 100 м, то есть, под ними можно, например, вести сельскохозяйственную деятельность. 

Иногда ветроэлектростанции (ВЭС) строят прямо в море. Такой проект в 2017 году разработали Дания, Нидерланды и Германия. Они собираются к 2050 году соорудить в море остров площадью 6 кв. км и разместить на нем турбины. Планируется, что такая станция сможет вырабатывать до 30 ГВт·ч в год энергии, а в перспективе — до 100 ГВт·ч в год. 

Однако у этого источника дешевой и чистой энергии есть несколько существенных недостатков — нестабильность и зависимость от места размещения. Ветер дует не везде и не всегда. А в местах, где ветер дует часто и с большой силой, как правило, не располагаются населенные пункты. Это повышает расходы на строительство линий электропередач и транспортировку энергии. Поэтому ветроэнергетика хороша именно как дополнительный источник энергии.

Альтернатива ВЭС — солнечные электростанции (СЭС), которые могут работать по нескольким принципам. В одном случае с помощью сфокусированных солнечных лучей нагревают резервуар с водой (температура пара в нем может доходить до 7000С), в другом — используются фотобатареи. Второй тип гораздо проще соорудить, устанавливать фотоэлементы можно практически везде, а стоимость их продолжает снижаться с развитием технологии производства. 

Что такое валютные войны и зачем их ведут

Главными недостатками СЭС является большая зависимость от места расположения, времени суток и сезона. Например, станция не будет вырабатывать энергию ночью, значительно меньше — в зимнее время года. Полностью обеспечить себя электричеством с помощью СЭС могут даже не все африканские страны. Поэтому солнечная энергетика на данном этапе тоже может служить только в качестве вспомогательного источника. 

КАК ИСПОЛЬЗУЮТ ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

В волновой энергетике используются специальные модули, которые качаются на волнах и таким образом приводят в действие специальные поршни. Потенциал этого вида ВИЭ оценивают более чем в 2 ТВт·ч в год. Волновые электростанции защищают берега и набережные от разрушения, уменьшают воздействие на опоры и мосты. При правильной установке они не вредят окружающей среде, к тому же практически незаметны в море.

Среди недостатков — нестабильность (то есть станция вырабатывает меньше энергии во время штиля), шум, незаметность для водного транспорта, из-за чего необходимо дополнительно устанавливать сигнальные элементы. 

В некоторых местах устанавливают геотермальные станции (ГеоТЭС). Общий потенциал геотермальной энергии оценивается в 47 ТВт·ч в год, что соответствует выработке примерно 50 тысяч АЭС, но сейчас технологии позволяют получить доступ только к 2% от него — 840 ГВт·ч в год. Чтобы это сделать, роют две скважины, по одной из них подается вода, которая, нагреваясь от тепла земли, превращается в пар. Затем пар по трубе направляется в турбины. На разных этапах происходит его очистка от примесей. 

Главное преимущество геотермальной энергетики — стабильность, которую не могут обеспечить многие ВИЭ, и компактность, что удобно для районов со сложным рельефом. С другой стороны, вода, которая проходит через скважины, несет большое количество тяжелых металлов и других вредных веществ. При неправильной эксплуатации станции или при возникновении чрезвычайной ситуации, попадание в атмосферу и в почву этих веществ, может привести к экологической катастрофе локального масштаба. 

Кроме того, стоимость энергии ГеоТЭС выше, чем у ВЭС и СЭС, а мощность довольно невысокая.

Основная проблема практически всех перечисленных выше источников заключается в их нестабильности. Современные аккумуляторы не позволяют накапливать такое количество энергии, чтобы без потерь мощности использовать ее в ночное время или во время штиля. Один из вариантов — во время пиковых нагрузок поднимать воду в верхнюю часть водохранилища и потом во время затишья использовать ее для выработки энергии на ГЭС. 

Зарабатываем и делимся: популярно о дивидендах

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГИЯ В РОССИИ И В МИРЕ

На данный момент использование ВИЭ активно развивается в Европе, где страны вынуждены закупать топливо для работы традиционных электростанций. Но, по мнению некоторых экспертов, в развитии альтернативной энергетики заинтересованы и государства, чья экономика зависит от экспорта нефти и газа. Ведь если в некоторых регионах использовать ВИЭ вместо газа, это топливное сырье можно будет отправить на экспорт. 

Тем не менее, в России этот сектор энергетики развивается очень медленно. По данным аналитической компании Enerdata, в Норвегии около 97% электроэнергии добывается из альтернативных источников с учетом гидроэнергетики, около 80% — в Новой Зеландии и Бразилии. В Европе 30-40% энергии ВИЭ вырабатывается в Германии, Италии, Испании и Великобритании. В России этот показатель составляет всего 17,2%, из них доля СЭС и ВЭС — менее 1%.

Интернет-издание о высоких технологиях

Альтернативные источники энергии становятся выгодными

Альтернативная энергетика шагнула далеко вперед — то, что еще вчера казалось фантастикой, сегодня стало объективной реальностью. Рост спроса на альтернативные источники энергии вызван уже не только заботой об экологии того или иного региона, но и экономической выгодой.

Согласно недавнему заявлению одного из лидеров энергетического хозяйства Евросоюза, к 2010 году 10% всего потребляемого электричества будет производиться за счет возобновляемых источников энергии. Впереди всех по использованию альтернативных источников электроэнергии пока Германия. Если верить отчету местного Федерального союза энергетики и водного хозяйства (BDEW), то показатель в 10% в настоящий момент здесь почти достигнут, а в 2008 году эта цифра будет намного выше и составит более 14%. Согласно этому же отчету, альтернативные источники энергии в Германии распределились следующим образом: на долю энергии ветра приходится 6,8%, на гидроэнергетику — 3,4%. Использование энергии биомассы дает стране 3,1%. И лишь 0,5% составляют так называемые солнечные батареи или фотоэлектрические системы, если пользоваться научной терминологией.

Напомним, что к альтернативным автономным источникам электроэнергии специалисты относят, прежде всего, энергию солнца, ветра и воды. Отдельным, многоцелевым, источником энергии служит биомасса — из жидких органических отходов которой получают биогаз, являющийся, в том числе, и топливом для электрогенераторов последнего поколения.

На российском рынке представлен целый спектр решений из области альтернативной энергетики, позволяющих решать самые сложные задачи. В том числе и те, для которых раньше применялись традиционные источники автономного электропитания — газовые и дизельные установки. Благодаря энергии солнца, ветра и воды сегодня можно обеспечить электричеством небольшой коттедж и даже целый населенный пункт, организовать поиск и добычу полезных ископаемых, подъем воды из скважин, наладить ирригационные системы.

Энергия ветра

Ветроэнергетические установки являются на сегодняшний день основным способом преобразования ветровой энергии в электрическую. Ветроэнергетика активно развивается во всем мире. Установка по преобразованию энергии ветра в электрический ток выглядит, как ветровая турбина с горизонтальным валом, на котором установлено рабочее колесо с различным числом лопастей — обычно их 2-3. Многолопастные колеса применяются в малых установках, предназначенных для работы при невысоких скоростях ветра. Турбина и электрогенератор размещаются в гондоле, установленной на верху мачты. Для автономного питания используются так называемые малые ветроэнергетические установки — мощностью до 100 кВт. Сфера их применения во многом совпадает с фотопреобразователями.

Подобные ветроустановки часто работают совместно с дизельгенераторами. Активно ведутся инновационные разработки в области ветро-солнечных установок. Считается, что ветро-солнечные электрогенераторы способны обеспечить более равномерную выработку электроэнергии — при солнечной погоде ветер слабеет, а при пасмурной — наоборот, усиливается.

Энергия воды

Энергия воды используется в установках двух типов. Это, в первую очередь, приливные электростанции, чей принцип работы основан на перепаде уровней «полной» и «малой» воды во время прилива и отлива. Основное их преимущество состоит в том, что выработка электроэнергии носит предсказуемый плановый характер и практически не зависит от изменений погоды. Вторым типом «водных» электростанций являются речные. Автономные источники электропитания, в основном, устанавливаются на малых реках.

В последние годы достигнут значительный технический прогресс в разработке автономных гидроагрегатов, в том числе и в России. Новейшее оборудование полностью автоматизировано и не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала, а также отличается повышенным сроком службы в сравнении с традиционными источниками электроэнергии — ресурс работы подобных установок до 40 лет. Помимо использования малых рек, одной из инноваций применения автономных гидроэлектростанций является их установка в питьевых водопроводах и технологических водотоках предприятий, на промышленных и канализационных стоках. Автономные гидроэлектростанции обычно устанавливают вместо гасителей давления. 

Энергия биомассы

Под биомассой понимаются все органические вещества растительного и животного происхождения. Энергия, содержащаяся в биомассе, может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями. С помощью получения растительных углеводородов, к примеру, можно получить рапсовое масло, добавляемое к дизельному топливу. Термохимическая обработка (прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз) дает прямую конверсию в топливо. И третий путь, применяемый исключительно к жидкой биомассе, — биотехнологическая конверсия. На выходе можно получить низкоатомные спирты, жирные кислоты и биогаз.

Среди биохимических технологий переработки жидких органических отходов наиболее широкое применение во многих странах мира получила технология анаэробного (в отсутствии атмосферного кислорода) разложения органического сырья с получением биогаза, состоящего на 55-60 % из метана. Вырабатываемый биогаз используется не только в качестве топлива для электрогенераторов последнего поколения, но и в двигателях внутреннего сгорания — для производства электрической и механической энергии.

Энергия солнца

Бытует мнение, что солнечная энергия может эффективно использоваться только в южных странах, а Россия после распада Советского Союза является скорее северной страной, где солнечного излучения недостаточно и использовать его нецелесообразно. Но с момента появления первой солнечной батареи (1954 год) прошло более полувека, с тех пор сделано множество открытий в этой области, технология заметно усовершенствовалась. Последние исследования и разработки специалистов Института высоких температур Российской академии наук (ИВТ РАН) показали, что использовать фотоэлектрические источники питания в России можно и нужно. Плюсы использования солнечных батарей очевидны. Прежде всего, для запуска солнечной батареи не нужны дополнительные источники электроэнергии: чтобы солнечная батарея начала функционировать, достаточно только солнечного излучения. Кроме того, а отличие от дизельгенераторных установок топливо для солнечной батареи неиссякаемо. Во всяком случае, пока светит солнце! Фотоэлектрические установки удобны для транспортировки и монтажа, так как имеют малый вес. Специалисты также отмечают надежность современных солнечных батарей, способных работать очень долго практически в любых климатических зонах.

Фотоэлектрические автономные источники питания обычно состоят из целого ряда солнечных батарей, расположенных на плоскости. Если раньше солнечные батареи имели весьма низкий КПД, то некоторое время назад разрабочикам удалось существенно увеличить показатели благодаря использованию двух- и трехслойных элементов. Электрический ток возникает при попадании солнечных лучей на фотоэлементы — в фотоэлектрическом генераторе. Наиболее эффективны генераторы, основанные на возбуждении электродвижущей силы (ЭДС) на границе между проводником и светочувствительным полупроводником или между разнородными проводниками. Наибольшее распространение получили солнечные фотоэлектрические установки на основе кремния трех видов: монокристаллического (наиболее высокий кпд), поликристаллического и аморфного.

По мнению большинства специалистов, за альтернативным энергоснабжением — будущее не только автономных источников энергоснабжения, но и всей энергетики. По мере появления новых технологических решений, использование подобных установок будет все шире применяться во всем мире. В том числе и в России. Ведь уже сейчас основным мотивом использования альтернативных источников питания является не экологическое обоснование, а экономический фактор. В самое ближайшее время следует ожидать появления множества инноваций в области комбинированных решений — ветро-фотоэлектрических, дизель-ветровых и дизель-фотоэлектрических автономных энергоустановок. Работы в этом направлении активно ведутся.

Андрей Егоров

Российские ученые разработали новый источник энергии — Российская газета

Одним из «гвоздей» X Московского международного салона инноваций и инвестиций стала «Зеленая электроэнергия». Ученые предлагают освещать города с помощью источника, который в буквальном смысле слова у нас под ногами, — вибрации.

Аркадий Райкин говорил: ну что балерина впустую крутится. Надо к ее ноге подсоединить «динаму», пусть энергию дает в отдаленные районы. Знаменитому актеру следовало бы взять патент на эту идею. Она уже овладевает массами. К примеру, в Израиле источниками энергии стали обычные шоссе. Для этого под асфальтовое покрытие подкладывают так называемые пьезодатчики. Их изучают в курсе школьной физики. Эти элементы, сжимаясь и разжимаясь под действием внешней силы, скажем, простого надавливания ногой, вырабатывают электроэнергию. Планы у израильтян амбициозные: они намерены таким образом экономить до 20 процентов энергии, которую потребляют города.

— И это при КПД преобразования энергии сжатия в электричество всего 0,001, — говорит доктор химических наук из Южного федерального университета Тимофей Лупейко. — А мы можем делать это в 10 тысяч раз лучше. Представляете, какой можно получить эффект, если брать энергию от всего, что создает вибрацию, — автомобилей, метро, поездов, наконец, просто потока людей на улице.

Как же ростовские ученые сумели кардинально улучшить показатели давно известных пьезоэлементов, которые всегда считались экзотикой, совершенно бесперспективной для серьезной энергетики? Решение, казалось бы, на редкость простое. Ученые заставили работать элемент не на сжатие, как это делается уже десятки лет, а на изгиб. И открылся неожиданный эффект: при таком варианте в элемент закачивается намного больше механической энергии, соответственно, больше и отбирается электрической. Вот, собственно, и вся хитрость, на которую поданы две заявки на патент. Получили ученые и первый заказ: железнодорожники попросили сделать систему, которая автономно будет питать энергией светофоры.

Но это мизерная часть возможностей, которые открывает изобретение ростовчан. Ведь можно бесплатно брать энергию, которая в прямом смысле слова у нас под ногами и под колесами. Причем не вредя природе, не загрязняя воздух. Не случайно проект назван «Зеленая электроэнергия». Найдутся ли желающие им воспользоваться?

Альтернативные источники энергии. ⭐ Бесплатные PDF на Cdnpdf.com ✔️

Презентация по слайдам:

---

Слайд #1

«Немногие умы гибнут от износа, но большей части они ржавеют от неиспользования». Кристиан Боуви

Слайд #2

Энергия жизни

Слайд #3

Альтернативные источники энергии Цель урока: Больше узнать об источниках энергии Проверить и закрепить свои знания по физике и химии

Слайд #4

Использование топливных ресурсов

Слайд #5

Причины топливного кризиса: Рост численности населения Развитие производства Истощение запасов традиционных источников энергии

Слайд #6

Причины изучения и освоения новых источников энергии Глобально-экономические Политические Социальные Экономические

Слайд #7

«…нефть не топливо. Топить можно и ассигнациями» Д.И.Менделеев

Слайд #8

Физический диктант Любое тело обладает _________ энергией. При сгорании топлива внутренняя энергия превращается в ______________ энергию. Если тело ускоряется, то его ____________ энергия растет. Энергия взаимодействия тела с Землей – это ___________ энергия. Один из основных законов механики – закон сохранения _________ энергии.

Слайд #9

Физический диктант Любое тело обладает внутренней энергией. При сгорании топлива внутренняя энергия превращается в тепловую энергию. Если тело ускоряется, то его кинетическая энергия растет. Энергия взаимодействия тела с Землей – это потенциальная энергия. Один из основных законов механики – закон сохранения механической энергии.

Слайд #10

Солнечная батарея

Слайд #11

Энергия солнца на службе у человека

Слайд #12

Веломобиль на солнечных батареях

Слайд #13

Ветрогенератор

Слайд #14

Энергия из мусора

Слайд #15

Биотопливо

Слайд #16

Топливо будущего

Слайд #17

КПД – коэффициент полезного действия

Слайд #18

Коэффициент полезного действия — КПД Где : Q1-количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя. Q2-количество теплоты, отданное рабочим телом холодильнику. А – полезная работа, совершаемая рабочим телом за цикл.

Слайд #19

Задача: Вычислите КПД двигателя, если рабочее тело двигателя получает за цикл 200 Дж тепла, а отдает холодильнику 100 Дж энергии.

Слайд #20

Выход из топливного кризиса Экономичные машины Совершенствование ЖКХ Меньше энергозатрат на производство Атомная энергетика Неисчерпаемые природные ресурсы

Слайд #21

Слайд #22

Слайд #23

Слайд #24

Слайд #25

Солнечная энергия — Vaillant

Солнце является почти неисчерпаемым источником энергии, которое нам доступно практически в неограниченном масштабе – экологически чистая и бесплатная энергия. Солнце излучает в направлении Земли 960 миллиардов кВт-часов ежедневно. Это количество энергии может теоретически удовлетворять мировые энергетические потребности в течение 180 лет.

Солнечная энергия в настоящее время используются в частных домах двумя различными способами:

1. Солнечная энергия используется для нагрева бытовой воды и обогрева.
2. В солнечных батареях для прямой генерации электрической энергии из солнечного света используется фотоэлектрический эффект.

Преимущества использования солнечной тепловой энергии:

• Неисчерпаемый источник солнечной энергии
• Солнечная энергия бесплатна
• Не существует проблема выброса CO2
• Может быть интегрирована в существующие установки
• Вы меньше зависите от колебания цен на мировых сырьевых рынках

Требования, которые должны быть выполнены в вашем доме:

• Подходящие поверхности для устаноски солнечных коллекторов
• Коллекторы по возможности должны быть ориентированы на юг
• В незатененном месте в течение всего дня
• Возможность расширения системы отопления

Солнечная энергия сокращает затраты

Солнечные коллекторы преобразовывают солнечную энергию в тепловую. Коммерчески доступные плоские коллекторы конвертируют до 95 процентов света в энергию. В вакуумных трубчатых коллекторах имеется отражатель, который фокусирует свет на поглощающий элемент. Эти трубчатые коллекторы достигают более высокой эффективности и даже генерируют тепло в условиях рассеянного освещения, например, в облачный день.

После того, как солнечная энергия преобразовывается в коллекторах, тепло передается через теплоноситель баку с горячей водой в здании. Теплообменник передает энергию теплоносителя воде в ёмкости. Отсюда она может использоваться по необходимости, даже когда солнце не светит. С помощью солнечных тепловых систем можно сэкономить до 65 процентов затрат на нагрев воды в домашнем хозяйстве. Установки комбинированного типа, могут также использоваться для отопления, снижая годовые потребности в энергии для обогрева на 20 — 30 процентов.

Узнайте больше о солнечных коллекторах от Vaillant

Учащиеся энергокласса Естественно-научного лицея представили проекты в области энергетики

13.06.2019

Учащиеся энергокласса Естественно-научного лицея представили проекты в области энергетики

В Естественно-научном лицее при СПбПУ Петра Великого состоялась защита проектов учащихся энергокласса – профильной образовательной группы, нацеленной на подготовку будущих кадров электросетевой отрасли. Ребята представили свои разработки и исследования в области альтернативной энергетики, энергосберегающих технологий и других направлений.

Учащиеся проявили большой интерес к возобновляемым и альтернативным источникам энергии. В частности, одна из работ была посвящена ветроэлектрогенераторам. Учащийся энергокласса Глеб Васильев не только рассказал об истории и принципах работы ветровой энергетики, но и представил самые интересные инженерные решения ветроэлектрогенераторов, проанализировал их преимущества и недостатки. Командная работа Дмитрия Чеброва, Дарьи Киселкиной и Александра Заюрова была посвящена электроснабжению дачных поселков за счет возобновляемых источников энергии. А Варвара Казанцева провела тщательный анализ альтернативных источников энергии и выполнила подробный расчет выгоды перехода на такие источники с традиционных на примере собственной семьи.

Еще один командный проект Александра Корчагина, Михаила Дробчика и Виктора Ковалева назывался «Энергосбережение в школе». Учащиеся подсчитали экономический эффект и срок окупаемости от применения энергосберегающих технологий в образовательном учреждении. Ученик энергокласса Илья Шестаков выбрал в качестве темы самые современные изобретения в области энергосбережения, о которых он рассказал в своей работе «Открытия и изобретения в области энергетики».

В качестве экспертов на защите проектов присутствовали руководители Естественно-научного лицея, представители ПАО «Ленэнерго» и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Члены комиссии отметили высокий уровень работ и подчеркнули, что интерес ребят к электроэнергетике и их знания станут большим преимуществом при поступлении в вуз.

Собственные проекты в области электроэнергетики – это завершающий этап первого года обучения ребят в составе энергокласса. Дополнительное обучение в профильной группе позволяет им ближе познакомиться с современной электроэнергетикой и работой электросетевой компании. В течение года для учащихся организовывались выездные занятия на объектах «Ленэнерго», практические задания и экскурсии. Обучение в энергоклассе станет для школьников бонусом при дальнейшем трудоустройстве в «Ленэнерго».

Возобновляемые источники энергии — МГУ имени М.В.Ломоносова

Информационное письмо №1

 

Оргкомитет Всероссийской конференции и XII научной молодежной Школы с международным участием приглашает научных сотрудников, преподавателей ВУЗов, студентов, магистрантов, аспирантов, принять участие в работе конференции, которая состоится 23-26 ноября 2020 г. на Географическом факультете Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова.

Традиционные Всероссийские научные молодежные школы «Возобновляемые источники энергии» проводятся в МГУ имени М.В.Ломоносова с 1999 г. в сотрудничестве с академическими институтами, проектными и производственными компаниями. В предыдущей Школе, прошедшей в 2018 г., приняло участие более 300 человек, с её материалами можно ознакомиться на сайте конференции https://www.rsemsu.com/.

В 2020 г. на конференции будут представлены результаты широкого ряда исследований в области возобновляемой энергетики, в том числе, проведенных при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).

В рамках Всероссийской конференции и XII научной молодежной Школы «Возобновляемые источники энергии» планируется проведение лекций и докладов ведущих специалистов в области солнечной, ветровой, геотермальной энергетики, малой гидроэнергетики, биоэнергетики, экономики и экологии возобновляемой энергетики и др. В программу Научной школы будут включены устные и стендовые доклады студентов, магистрантов, аспирантов, молодых ученых и специалистов с последующим обсуждением представленных работ, проведением конкурса научных работ молодежи и награждением победителей. Планируются консультации со специалистами, знакомство с компаниями, работающими в области возобновляемой энергетики.

Тематика Всероссийской конференции и XII научной молодежной Школы «Возобновляемые источники энергии» охватывает следующие научные направления:

1)                 Повышение эффективности фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии.

2)                 Современные подходы к преобразованию солнечной энергии в тепло: солнечные коллекторы, солнечные системы PV/T и фотоэлектрические нагреватели.

3)                 Оптимизация параметров ветроэнергетических установок для получения конкурентоспособных решений и достижения минимума себестоимости производимой электроэнергии

4)                 Накопители электрической и тепловой энергии для систем на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) — особенности и ниши применения.

5)                 Современные виды биотоплива и особенности технологий их получения

6)                 Комплексное использование геотермальных месторождений для производства электроэнергии, тепла и извлечения ценных химических соединений

7)                 Разработка технических решений в области малой гидроэнергетики для водо- и энергообеспечения

8)                 Развитие инструментов математического моделирования и инженерных методов расчета оптимальных систем солнечной тепловой и электроэнергетики

9)                  Повышение точности оценки ресурсов возобновляемой энергетики и эффективности их использования

10)             Геоинформационные технологии в возобновляемой энергетике

11)              Экологические аспекты жизненного цикла систем возобновляемой энергетики

12)             Экономика и конкурентоспособность возобновляемой энергетики: реальность и перспективы

13)              Российский опыт создания сетевых и автономных систем энергоснабжения на базе ВИЭ

 

Заявки на участие в конференции принимаются в электронной форме на сайте: http://agora.guru.ru/rse_msu-2020

ПРОСЬБА ПРИ РЕГИСТРАЦИИ ДОКЛАДОВ УКАЗЫВАТЬ ПРОЕКТЫ РФФИ, ПО КОТОРЫМ ОНИ ВЫПОЛНЕНЫ.

Безуглеродный источник энергии — обзор

1.2.4 Другие чистые и устойчивые источники энергии и производственные технологии

Геотермальная, морская и приливная энергия — еще один жизненно важный класс устойчивых источников энергии. По оценкам, к 2024 году потребление геотермальной энергии превысит потребление энергии крупными гидроэлектростанциями [41]. Как и солнечная энергия, геотермальная энергия также имеет широкий спектр применений, включая производство электроэнергии, обогрев и охлаждение помещений, спа, связанные с уходом за здоровьем, рыбоводство, отопление теплиц, горячие ванны, тепловые насосы и в промышленности.Однако 42% прямого использования геотермальной энергии приходится на плавание, купание и спа [42]. Поскольку геотермальная энергия зависит от содержания тепла внутри Земли, ее реализация зависит от географического положения. По состоянию на 2001 год 58 стран в той или иной форме использовали геотермальную энергию, а 21 страна производила из нее электроэнергию [42]. Исландия является основным пользователем геотермальной энергии, которая удовлетворяет 50% ее спроса на энергию. Геотермальная энергия также является безуглеродным источником энергии; таким образом, наиболее полное использование геотермальной энергии может привести к экономии 1000 миллионов тонн выбросов CO ₂ [43].Геотермальная энергия обычно извлекается из теплоты внутри Земли с использованием сложных блоков извлечения энергии, основанных на цикле Ренкина. Внутреннее тепло Земли образуется в результате ядерных реакций внутри земной коры. Чтобы использовать эту энергию, глубоко в земле просверливают отверстия, и затем в них вводят воду. Когда вода вступает в контакт с более высокими температурами, она поглощает энергию, а нагретая вода превращается в пар, который в конечном итоге производит электричество путем преобразования тепловой энергии в кинетическую, а затем из кинетической энергии в электричество [44].Первая коммерческая установка по извлечению геотермальной энергии датируется 1913 годом [42].

Существует несколько других методов коммерческого производства энергии из геотермальных источников энергии, таких как цикл Ренкина и органический цикл Ренкина (ORC). Однако такие методы не были эффективны при использовании энергии от низкотемпературных источников. Таким образом, исследователи попытались повысить эффективность ORC, внося соответствующие изменения в конфигурацию и используя дополнительное оборудование. Например, добавление паропоглощающего охладителя (VAC) увеличивает эффективность ORC, или абсорбционный преобразователь тепла (AHT) может быть соединен с ORC для повышения эффективности процесса на 40–70% [45].Помимо VAC и AHT, за последние три десятилетия были предложены и реализованы несколько других улучшенных конструкций, включая цикл флэш-памяти с ORC, разработку процесса бинарного цикла и разработку процессов комбинированного цикла. Все геотермальные жгуты можно условно разделить на три широкие категории в зависимости от их способности работать в различных диапазонах температур источников геотермальной энергии: (1) ORC, используемый для низкой энтальпии до 160 ° C, (2) бинарная двухфазная конфигурация, используемая для средняя энтальпия от 160 ° C до 190 ° C, и (3) установка комбинированного геотермального цикла, используемая для высокой энтальпии выше 190 ° C [45].Существуют определенные технические, экономические, социальные и политические проблемы, связанные с добычей геотермальной энергии. Одной из таких серьезных проблем является масштабирование оборудования с низкой эффективностью преобразования, нечеткое понимание правил, более высокая стоимость и строгие земельные нормы по сравнению с нефтью и природным газом, уменьшение количества глинистых частиц, передача электроэнергии на большие расстояния и проблемы технического обслуживания [46] . Теплосодержание внутри Земли варьируется от места к месту, поэтому стоимость производства может сильно различаться, поскольку в некоторых местах требуется более глубокое бурение, чем в других, чтобы достичь желаемой температуры [47].

Подобно солнечной, ветровой и геотермальной энергии, морская энергия является еще одним важным и устойчивым источником энергии [48]. Примечательно, что морская энергия также известна как энергия океана, которая включает энергию приливов, энергию волн, тепловую энергию, энергию океанских течений и энергию градиента солености. Косвенный источник энергии волн может быть отнесен к энергии ветра и солнца, поскольку волны возникают из-за комбинированного воздействия этих источников энергии. Таким образом, извлечение энергии волн можно также учитывать при использовании энергии ветра и солнца.Волновая энергия обладает кинетической и потенциальной энергией; таким образом, он способен производить электричество как из кинетической, так и из потенциальной энергии. Используется широкий спектр систем извлечения волновой энергии, которые можно условно разделить на три блока: (1) морская система, (2) береговая система и (3) широко используемая береговая система [49]. Поскольку волновая энергия обладает кинетической и потенциальной энергией, было разработано несколько механизмов, позволяющих использовать обе формы энергии. Один метод похож на метод извлечения энергии потока ветряной мельницы, где кинетическая энергия воды используется для вращения турбины, соединенной с генератором, который преобразует ее в электричество.Другой метод производства электроэнергии включает преобразование энергии волн в жидкость под высоким давлением. Электромагнитная система без механических соединений также может использоваться для производства электричества из энергии волн.

В отличие от энергии волн, которая в основном связана с энергией солнца и ветра, энергия приливов возникает из-за гравитационных сил, связанных с вращением Земли относительно Солнца, а также с вращением Луны вокруг Земли. Комбинированный эффект положения Земли, Солнца и Луны вместе с гравитационными силами заставляет воду в океане подниматься и опускаться, создавая приливные течения.Поскольку приливные течения движутся вперед, оборудование, подобное ветряным турбинам, используется для производства электроэнергии из этого движения [48]. Тепловая энергия — еще один важный источник морской энергии, поскольку большая часть поверхности Земли имеет воду; поэтому максимум солнечной энергии поглощается океанами. Преобразователи энергии океана, аналогичные установкам для извлечения геотермальной энергии, используются для использования этой энергии [49,50]. Следует отметить, что поглощение солнечной энергии водой также приводит к образованию океанских течений, в которых энергия может быть использована с помощью турбин, таких как те, которые используются в малых гидроэнергетических установках.Энергия градиента солености возникает из-за разницы осмотического давления между пресной и соленой водой. Следует отметить, что, хотя морская энергия имеет большой потенциал, существует ряд экологических и экологических проблем, таких как нарушение бентосных местообитаний, изменение потока, перенос отложений и питательных веществ, искусственные рифы, охраняемые морские территории, биообрастание, электромагнитные поля, риск столкновения и т. Д. подводный шум и влияние на общество, которые необходимо учитывать перед добычей морской энергии [51–53].

Что такое чистая энергия? — Сан-Хосе Clean Energy

«Чистая» энергия — это энергия, при которой выбросы парниковых газов практически отсутствуют, а также возобновляемые и безуглеродные источники. Это контрастирует с ископаемым топливом, которое производит значительное количество выбросов парниковых газов, включая углекислый газ и метан.

Возобновляемая и безуглеродная энергия — в чем разница?

Возобновляемая энергия — это энергия, которая поступает из природных ресурсов, таких как солнечный свет и ветер.В отличие от ископаемых видов топлива, таких как нефть, природный газ и уголь, которые невозможно заменить, возобновляемая энергия восстанавливается естественным путем за короткий период времени.

Ядерная энергия и даже большая гидроэнергетика не считаются возобновляемыми источниками энергии по закону штата Калифорния, но не выделяют выбросов парниковых газов, что делает их безуглеродными источниками энергии.

• Примеры возобновляемых источников энергии: ветер, солнце, биомасса, геотермальная энергия и малая гидроэнергетика
• Примеры безуглеродных источников энергии: более крупная гидроэнергетика и атомная энергия, а также все возобновляемые источники энергии, перечисленные выше
• Примеры источников энергии из ископаемого топлива: природный газ, уголь и нефть

Продукт GreenSource по умолчанию San José Clean Energy содержит не менее 40% возобновляемой энергии из таких источников, как солнце и ветер.

Преимущества возобновляемых источников энергии

Возобновляемые источники энергии не только лучше для окружающей среды, но и становятся дешевле, чем традиционные ресурсы! В отличие от ископаемого топлива, цены на возобновляемую энергию в долгосрочной перспективе стабильны, поскольку отсутствуют расходы на топливо. Цены на уголь и природный газ могут вызвать резкий скачок затрат на электроэнергию при перебоях в поставках топлива, поэтому надежда на обильную солнечную и ветровую энергию помогает нам сохранять стабильные и конкурентоспособные расценки.

Преимущества возобновляемых источников энергии не ограничиваются стабильными конкурентоспособными ценами.Это тоже полезно для нашего здоровья! Когда, например, энергия ископаемого топлива заменяется ветровой или солнечной, воздух, которым мы дышим, и вода, которую мы пьем, становятся чище.

Когда SJCE покупает и создает экологически чистую энергию, это дает дополнительный бонус в виде создания большего количества рабочих мест в области экологически чистой энергии. Наличие контроля над нашим будущим энергоснабжением позволяет сообществу поддерживать проекты, которые создают более чистую и зеленую экономику.

SJCE гордится тем, что поддерживает движение города и штата к более устойчивому будущему для наших семей и будущих поколений:

Nuclear обеспечивает безуглеродную энергию 24/7

Ядерная энергия — единственный источник энергии, обеспечивающий надежную безуглеродную энергию 24 часа в сутки.Наряду с ветровой, солнечной и хранением энергии ядерная энергия играет жизненно важную роль в нашем безуглеродном будущем.

Безуглеродная энергия, на которую можно рассчитывать 24/7/365

• Ядерная энергия не содержит углерода. Это крупнейший источник безуглеродной электроэнергии в Соединенных Штатах, который защищает качество нашего воздуха, производя электричество без других вредных загрязнителей, таких как оксид азота, диоксид серы, твердые частицы или ртуть.
• Ядерная надежна. Атомные станции — самый эффективный источник электроэнергии, работающий круглосуточно и без выходных, при среднем коэффициенте мощности 93%. (Коэффициент мощности — это отношение фактического количества электроэнергии, произведенной заводом, к максимальному количеству, которое оно потенциально может произвести.) Это более чем в два раза превышает коэффициент мощности любого другого безуглеродного источника. Во время полярного вихря 2019 года предприятия в США работали с загрузкой более 98 процентов. Атомные станции могут достичь этих показателей благодаря работе мирового класса и потому, что станция заправляется только раз в 18-24 месяцев.
• Ядерная мощь. Одна таблетка уранового топлива — размером с мармеладного медведя — создает столько же энергии, сколько одна тонна угля, 149 галлонов нефти или 17 000 кубических футов природного газа. Один ядерный энергетический реактор вырабатывает в среднем достаточно электроэнергии, чтобы обеспечить энергией более 760 000 домов без выбросов парниковых газов — этого более чем достаточно для обеспечения энергией города размером с Филадельфию. Фактически, 93 атомных электростанции Америки производят достаточно электроэнергии, чтобы обеспечить электроэнергией 75 миллионов домов.

Наш главный источник безуглеродной электроэнергии

Ядерная энергия обеспечивает более половины процента безуглеродной электроэнергии в Соединенных Штатах, больше, чем любой другой источник. Количество электроэнергии, произведенной с помощью ядерной энергии, позволяет избежать выбросов почти 471 миллиона метрических тонн углекислого газа в год. Это больше, чем выбросы от почти 100 миллионов легковых автомобилей.

Незаменимое дополнение к ветровой и солнечной энергии

Ветровая, солнечная энергия и накопление энергии могут в значительной степени приблизить нас к безуглеродному будущему, но обеспечение сбалансированного сочетания с ядерной энергией поможет нам достичь этого быстрее и надежнее.Ядерная энергия обеспечивает надежную, постоянно включенную электроэнергию и дополняет другие безуглеродные источники энергии, которые не всегда доступны. Если объединить вклад ядерной энергии в безуглеродную электроэнергию с ветровой и солнечной энергией, получается более 80 процентов нашей чистой энергии. Малые реакторы смогут объединяться с источниками прерывистого действия и обеспечивать электроэнергию, когда не светит солнце и не дует ветер. Результат — более надежная и чистая подача электроэнергии.

Как ядерная энергия в структуре энергетики приносит пользу нашим сообществам

Ядерная энергия обеспечивает экологически чистую и надежную электроэнергию для разнообразной энергетической системы.Разнообразные поставки топлива уравновешивают преимущества и риски, связанные с каждым источником. Фактически, исследование глобальной информационной компании IHS Energy показывает, что потеря «разнообразия в энергосистеме США приведет к большим колебаниям цен, более высоким счетам за электроэнергию и окажет негативное влияние на всю экономику».

Исследование показало, что текущий диверсифицированный портфель электроэнергии снижает среднюю розничную цену на электроэнергию на 27 процентов и снижает изменчивость ежемесячных счетов потребителей за электроэнергию примерно на 22 процента.Это дает значительную экономию для потребителей. Исследование также показало, что потеря этого разнообразия приведет к:

• снижение валового внутреннего продукта США на 158 миллиардов долларов
• сокращение 1 миллиона рабочих мест
• $ 845 минус располагаемый доход в год на семью.

Решение проблемы безуглеродной энергетики

Abstract

В этом столетии произойдет серьезная трансформация того, как энергия приобретается, хранится и используется во всем мире.Толчком к этим изменениям является глубокое воздействие, которое как развитые, так и развивающиеся общества оказали на окружающую среду нашей планеты в течение последнего столетия, а также прогнозы относительно того, что произойдет, если мы не будем действовать трансформирующим образом в течение следующих двух десятилетий. В этом документе описывается основа для встречи, состоявшейся в октябре 2018 года, о необходимости декарбонизации в нашем энергетическом ландшафте, а также, в частности, о состоянии и проблемах науки, которая обеспечивает основу для таких технологий.В области декарбонизации при производстве энергии находится наука о преобразовании солнечной энергии с использованием новых или улучшенных фотоэлектрических материалов и искусственного фотосинтеза для расщепления воды и других реакций, накапливающих энергию. Тесно связанная проблема хранения возобновляемой энергии решается с помощью новых стратегий, материалов и подходов, которые в настоящее время исследуются и разрабатываются. Была также рассмотрена необходимость улучшения взаимодействия между учеными, работающими над этими взаимосвязанными, но отдельно рассматриваемыми проблемами, а также над переходом научных достижений к практическому применению, при этом были перечислены конкретные усилия.

Нынешнее столетие станет свидетелем серьезных преобразований в способах получения, хранения и использования энергии во всем мире. На данный момент, почти на пятой части пути XXI века, изменения явно заметны, но более глубокие изменения еще впереди. Проблемы, с которыми мы сталкиваемся при проведении этих преобразований, варьируются от научных и технологических до социальных, культурных и экономических в том, как мы живем, работаем и играем. Толчком к этим изменениям является глубокое воздействие, которое как развитые, так и развивающиеся общества оказали на окружающую среду нашей планеты в течение последнего столетия, и прогнозы будущих событий в отношении того, что произойдет в глобальном масштабе, если мы не будем действовать.Реальная и прогнозируемая урбанизация вместе с ростом населения мира ясно показывают, что мы должны действовать сейчас.

О влиянии индустриализации и современного общества на окружающую среду во всем мире много писали и обсуждали. Статистические данные по количеству CO ₂ в глобальной атмосфере и повышение средних глобальных температур с начала индустриальной эры в сочетании с прогнозами этих данных при различных сценариях климатологами, экологами и геологами легли в основу исследования. дебаты и привели к предложенным направлениям действий, которые должны быть предприняты взаимосвязанными сторонами.В октябре 2018 года Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) выпустила обновленный анализ (1) мировой ситуации с более мрачными прогнозами глобального потепления, чем это было представлено ранее (2). В этом последнем отчете МГЭИК подчеркнула необходимость удерживать повышение средней температуры ниже 1,5 ° C в течение следующих 15 лет:

Пути, согласующиеся с потеплением на 1,5 ° C выше доиндустриального уровня, можно определить в диапазоне предположений об экономическом росте, развитии технологий и образе жизни.Однако отсутствие глобального сотрудничества, отсутствие управления необходимыми преобразованиями энергии и земель, а также увеличение ресурсоемкого потребления являются ключевыми препятствиями на пути достижения траектории 1,5 ° C. … При выбросах в соответствии с текущими обязательствами по Парижскому соглашению (известными как определяемые на национальном уровне взносы, или NDC) ожидается, что глобальное потепление превысит доиндустриальные уровни на 1,5 ° C, даже если эти обещания будут дополнены очень серьезным увеличением масштабы и амбиции смягчения последствий после 2030 года.… Эти усиленные действия потребуют достижения пиковых выбросов CO ₂ менее чем за 15 лет.

Актуальность решения проблемы изменения климата — центральная черта отчета МГЭИК. Чтобы избежать наихудших последствий изменения климата, глобальные выбросы углерода должны достичь пика к 2020–2030 годам, снизиться до нуля к 2050 году и стать отрицательными (т.е. мы должны удалить углекислый газ из атмосферы) после 2050 года (рисунок SPM3a в ссылке 1). . Глобальные выбросы углерода за последние 2 года показывают обратную динамику (рис.1). После длительного периода снижения роста выбросов и трехлетнего почти неизменного уровня выбросов казалось возможным, что мы достигли пика и будем двигаться к спаду. Вместо этого выбросы выросли на 2,0% в 2017 году и на 2,7% в 2018 году, что является почти самым большим увеличением с 1990 года (3).

Рис. 1.

Глобальные выбросы углекислого газа от сжигания ископаемого топлива растут темпами, почти равными крупнейшим за последние 30 лет. Этот резкий рост следует за 3-летним периодом почти неизменного уровня выбросов, с 2014 по 2016 год, и указывает на то, что мы находимся намного выше траектории, необходимой для сохранения потепления ниже 1.5 ° С. Данные из исх. 32 (Глобальный углеродный бюджет на 2018 г., https://www.globalcarbonproject.org/carbonbudget/18/files/GCP_CarbonBudget_2018.pdf, кадр 9). Адаптировано с разрешения Организации научных и промышленных исследований Содружества, под лицензией CC BY 4.0.

Очевидно, что общим знаменателем в усилиях по контролю за изменением климата и критическим фактором уровней CO в атмосфере ₂ является насущная необходимость декарбонизации мировой энергетики при одновременном удовлетворении потребностей в энергии для мирового развития.Еще в 2016 году более 80% энергии, производимой во всем мире, приходилось на углеродсодержащие ископаемые виды топлива (нефть, уголь и природный газ). Хотя увеличение использования природного газа для замены угля можно рассматривать как положительный шаг, утечка метана в окружающую среду сводит на нет пользу от его использования, поскольку метан является более сильным парниковым газом, чем CO ₂ . Хотя в самом последнем отчете МГЭИК (1) основное внимание уделяется необходимости общих стратегий и политики, в нем отсутствуют конкретные способы достижения необходимой технологии получения энергии с нулевым выбросом углерода и лежащих в ее основе научных исследований.

10–12 октября 2018 г. Национальная академия наук провела симпозиум в рамках программы Коллоквиума Саклера «Состояние и проблемы декарбонизации нашего энергетического ландшафта». Основное внимание на этой встрече было уделено представлению и обсуждению текущих научных достижений и необходимых областей исследований, чтобы добиться удаления углерода из наших источников энергии. В то время как симпозиум касался энергетических исследований на самом фундаментальном уровне, он также выдвинул на первый план возможные пути развития производства и хранения энергии с нулевым выбросом углерода, как это предусмотрено экспертами в этой области.Кроме того, встреча предоставила платформу для взаимодействия и обсуждения участников, придерживающихся самых разных точек зрения.

Коллоквиум открылся лекцией бывшего министра энергетики Эрнеста Мониза (2013–2017 гг.) Под названием «Ускорение трансформации чистой энергии» в рамках Программы «Отличительные голоса» Национальной академии наук. Последующие презентации были разделены на 4 сессии, посвященные накоплению возобновляемой энергии и преобразованию солнечной энергии в электрическую энергию или топливо под рубрикой искусственного фотосинтеза.Темы охватывали состояние фотоэлектрических (ФЭ), текущие и планируемые разработки аккумуляторных батарей, расщепление воды с помощью солнечной энергии, искусственный фотосинтез и производство нефоссамого водорода и углеводородного топлива, а также другие темы. Проблема декарбонизации энергии сегодня затрагивает все сферы жизни. В 2016 году менее 20% произведенной в мире энергии пошло на производство электроэнергии, при этом 80% использовалось в других крупных секторах использования энергии, включая транспорт и промышленное производство.Хранение и использование возобновляемых источников энергии во всех этих секторах необходимо решать с помощью новых и развивающихся достижений науки и техники.

Презентации и докладчики Коллоквиума Саклера перечислены ниже в порядке их выступления на 4 сессиях:

• Инновации для ускорения преобразования чистой энергии, Арун Маджумдар, Стэнфордский университет

• Разработка новых катализаторов и устойчивых процессов для производства и использование топлива и химикатов, Томас Джарамилло, Стэнфордский университет

• Экономически ориентированный дизайн проточных окислительно-восстановительных батарей для сетевого хранения, Фикиле Брушетт, Массачусетский технологический институт

• Использование твердотельных протонных проводников для электрохимических технологий преобразования энергии , Соссина Хайле, Северо-Западный университет

• Проблема тераватта в преобразовании солнечной энергии и роль хранения, Дэвид Джинли, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL)

• Проточные водные батареи на органической основе для массового хранения электроэнергии, Майкл Азиз, Харва rd University

• Альтернативные водные батареи как сетевые решения для электрохимического накопления энергии, Линда Назар, Университет Ватерлоо

• Удовлетворение растущей потребности в долговременном хранении энергии, Йет-Мин Чианг, Массачусетский технологический институт

• Возможности, проблемы и ошибки в производстве водорода, Джон Тернер, NREL

• Солнечная энергия в масштабе: взгляд из окопов, Раффи Гарабедян, First Solar

• Наши химические вещества и жидкое топливо, Карен Голдберг, Пенсильванский университет

• Биотопливо: все еще необходимо после всех этих лет, Ли Линд, Дартмутский университет

• Углеродно-отрицательное солнечное удобрение и восстановление земель, Дэниел Носера, Гарвардский университет

• Пути преобразования двуокиси углерода с использованием солнечного света, Гарри Атвотер, Калифорнийский институт техники

• Solar Solved — Next, Carbon Negative Technology, Эли Яблонович, Калифорнийский университет, Беркли

• Making Solar Fuels, Том Мейер, Университет Северной Каролины

Презентации коллоквиума Саклера можно посмотреть на YouTube (https: / / www.youtube.com/playlist?list=PLGJm1x3XQeK3MBYldrPidvT-RRCNVh-QJ). И Мониш, и Маджумдар помогли определить текущую ситуацию и важность фундаментальных исследований в координации со структурой поддержки и финансирования, которая стимулирует инновации и потенциально прорывные технологии. Это не просто случай нестандартного мышления; скорее, это структура и культура, которые поощряют нестандартное поведение и действия. Проблема накопления возобновляемой энергии была проанализирована с нескольких точек зрения, включая твердотельные батареи и электрохимические пары различных типов, а также жидкостные проточные батареи, в которых 2 раствора различных окислительно-восстановительных агентов протекают через общую мембрану, проницаемую для положительных ионов. миграция, в то время как электроны проходят через внешнюю цепь с определенным потенциалом для выполнения работы.Стоимость элементов, составляющих окислительно-восстановительные пары в батареях всех типов, является важным фактором в этих различных подходах, как и другие факторы, такие как динамика переноса заряда электронов и ионов, разделение компонентов и долговечность системы. Все эти вопросы рассматриваются в текущих исследованиях.

Доминирующая тенденция в хранении энергии — это появление множества приложений, которые появляются по мере того, как электросети и транспорт трансформируются для решения проблемы изменения климата, повышения производительности и снижения затрат.Приложения для аккумуляторов электромобилей, интеграция возобновляемых источников энергии, распределенные энергоресурсы, интеллектуальное управление энергопотреблением и электрические полеты для воздушных такси, доставка посылок и пассажирские перевозки на короткие расстояния еще десять лет назад выходили за рамки технологических достижений. Обычные литий-ионные батареи стали доминирующими на рынке отчасти из-за их резкого падения цены, но они сталкиваются с серьезными проблемами стоимости и производительности, чтобы удовлетворить растущие потребности. Все чаще внимание обращается на значительные изменения в базовой литий-ионной платформе, такой как твердотельные электролиты и аноды на основе лития, магния, цинка или металлического кальция, и на еще более прорывные инновации, такие как катоды на основе молекулярного кислорода или серы. вместо кристаллических сульфидов, оксидов и фосфатов переходных металлов или для проточных батарей с заменой ванадия на более сложные и универсальные органические окислительно-восстановительные агенты.

Одним из многообещающих достижений является новый тип литий-кислородной батареи, способной выдерживать 700 циклов, которые работают в обычном воздухе (4). Очень высокая теоретическая плотность энергии и низкая стоимость материалов литий-кислородных батарей привлекательны для многих приложений, включая электромобили, грузовые автомобили дальнего следования и электрические полеты. В новой батарее в качестве опоры для кислородного катода используются наночастицы MoS ₂ , защитный слой Li ₂ CO ₃ на аноде из металлического лития и ионная жидкость в качестве электролита, как показано на рис.2. Эти новые функции решают основные проблемы литий-кислородных батарей: рост дендритов на литиевом металлическом аноде, побочные реакции анода и катода с влагой, диоксидом углерода и азотом в воздухе, а также растворение и возможные побочные реакции продукта разряда. Li ₂ O ₂ в жидком электролите. Новая батарея проработала более 700 циклов без каких-либо признаков побочных реакций на аноде или катоде. Обширная теория функционала плотности и моделирование молекулярной динамики выявили атомные и молекулярные источники необычной кинетической и термодинамической стабильности батареи.

Рис. 2.

Самобытная архитектура литий-воздушной батареи, способной работать более 700 циклов в воздухе, содержащем водяной пар, углекислый газ и азот в атмосферных концентрациях. Вредные побочные реакции предотвращаются с помощью 3 нововведений: защитного слоя Li ₂ CO ₃ для литий-металлического анода, стабильного ионного жидкого электролита и носителя MoS ₂ для катода, который катализирует реакцию разряда и связывает продукт разряда Li ₂ O ₂ .Печатается с разрешения исх. 4, Springer Nature: Nature, авторское право 2018.

Водные электролиты привлекают повышенное внимание из-за их низкой стоимости, превосходных сольватационных характеристик и высокой ионной подвижности, как это обсуждалось Назаром для сетевых приложений (5). Брушетт обсудил новые окислительно-восстановительные органические полимеры для проточных батарей, которые могут значительно снизить стоимость и повысить производительность (6). Батареи Flow, хотя и не являются концептуально новыми, за последнее десятилетие стимулировали множество новых исследований их использования в возобновляемых источниках энергии (рис.3). Ключевые вопросы касаются среды, в которой они работают (водной или органической), сольватационной среды, окружающей активные ионы, и прочности их окислительно-восстановительных пар. Эти аспекты создают исследовательские задачи на нескольких уровнях, все из которых направлены на экономичное хранение энергии в большом масштабе (7). Как массовая, так и объемная плотность энергии проточных батарей делают их более подходящими для стационарного хранения энергии, чем мобильные приложения на основе электромобилей.

Рис. 3.

Органические проточные окислительно-восстановительные батареи, основанные на различных основных мотивах, таких как олигоэтиленоксиды, к которым могут быть добавлены низко- и высокопотенциальные окислительно-восстановительные центры для увеличения объемной емкости на порядок и предотвращения деградации окислительно-восстановительной стабильности.Печатается с разрешения исх. 8. Авторское право Американского химического общества, 2018 г. 8 , 9). Также обсуждались родственные топливные элементы на основе H ₂ от Haile и новая проточная батарея длительного действия от Chiang, основанная на недорогой, богатой на Земле S, O ₂ и воде (10, 11).Низкая стоимость материалов этой батареи позволяет хранить большое количество энергии для экономически целесообразного длительного разряда (рис. 4).

Рис. 4.

Установленная стоимость долговременного хранения с помощью гидроаккумулятора (PHS) и накопителя энергии сжатого воздуха (CAES) по сравнению с установленной стоимостью литий-ионных и ванадиевых окислительно-восстановительных батарей (VRFB) и химической стоимостью материалов для воздушно-реактивных батарей на водной основе. Печатается по исх. 10, с разрешения Elsevier.

После первого дня лекций состоялась широкая панельная дискуссия по теме хранения возобновляемой энергии, которая включала научные, материальные и технологические проблемы, которые необходимо решить, чтобы обеспечить широкую интеграцию переменного ветра и солнечной энергии в сети и транспортных средств на аккумуляторных батареях и топливных элементах при транспортировке. Безотлагательность достижения агрессивных целей декарбонизации в следующие 15 лет была центральной в этих обсуждениях.

Во второй день встречи акцент сместился на преобразование солнечной энергии в электричество напрямую с использованием фотоэлектрических материалов и агрегатов или в накопленную химическую энергию посредством фотосинтеза.Рост фотоэлектрических установок за последнее десятилетие был огромным, а цены за киловатт-час стали конкурентоспособными с электрической энергией, полученной из ископаемого топлива. Технологическим ключом к этому результату стала возможность производить кремний фотоэлектрического класса в огромных количествах, в основном в Китае. Тонкопленочные фотоэлектрические элементы, состоящие из покрытий, содержащих селенид меди, индия, галлия и GaAs, обещают значительно более высокую эффективность, но в настоящее время также более дороги в производстве.Выступления Гаррабедиана из First Solar и Atwater Объединенного центра искусственного фотосинтеза Министерства энергетики показали, что такие системы приближаются к теоретическому пределу Шокли-Квайссера для преобразования света в электрическую энергию в системе с одним переходом (12, 13). Яблонович, чья работа над тонкопленочным GaAs также примечательна (14), считает, что с такой конструкцией можно было бы решить фундаментальную научную задачу, связанную с широким использованием фотоэлектрических материалов, хотя стоимость остается ключевой проблемой.

В то время как естественный фотосинтез в конечном итоге приводит к накоплению химической энергии в форме углеводов, именно восстановление протонов вместе с образованием кислорода из воды обеспечивает накопленный химический потенциал. В то время как другие возможные реакции накопления энергии под действием света существуют под рубрикой искусственного фотосинтеза, в настоящее время основное внимание уделяется расщеплению воды на водород и кислород под действием света. Даже в естественном фотосинтезе накопление энергии включает ключевые этапы окисления воды до O ₂ и восстановления протонов (в превращении NADP ⁺ в NADPH).Последующее восстановление CO ₂ происходит за счет темных реакций, протекающих по термодинамически благоприятной химии, что означает, что свет не требуется для включения CO ₂ в углеводные продукты после того, как были образованы восстанавливающие эквиваленты в форме NADPH. В то время как другие реакции накопления энергии были предложены и исследованы для искусственного фотосинтеза, ни одна из них не обладает качествами и полезностью расщепления воды для накопления энергии. Это особенно верно, если реакция высвобождения энергии осуществляется с использованием технологии водородных топливных элементов (обсуждается ниже).

Основная проблема, связанная с расщеплением воды под действием света, возникает при катализе обеих полуреакций — образование H ₂ из воды и окисление воды до O ₂ , что может быть вредным для стабильности катализатора в долгосрочной перспективе. Для полуреакции окисления воды процесс может включать образование активных форм кислорода, которые могут атаковать катализатор, чтобы сделать его неактивным. В своих лекциях Мейер описал свои усилия по этой теме с использованием фотоэлектросинтетических клеток (рис.5; ссылки 15 и 16), в то время как Носера кратко рассказал о своих исследованиях искусственного листа, который генерирует H ₂ и O ₂ , с использованием поглотителя света на основе Si с необходимыми восстанавливающими и окисляющими эквивалентами (17). Однако в исследованиях искусственных листьев было обнаружено, что факторы стоимости и стабильности светопоглотителя слишком высоки для практического применения в настоящее время.

Рис. 5.

Принципиальная схема тандемного сенсибилизированного красителем фотоэлектросинтеза (DSPEC) для разделения воды на солнечной энергии на H ₂ и O ₂ .Катализатор окисления воды и катализатор восстановления воды обозначаются сокращенно WOC и WRC, соответственно, в то время как хромофор для каждой полуреакции обозначается как Ch. Возбуждение света, перенос электронов, перенос дырок и миграция протонов показаны зелеными, синими, розовыми и серыми стрелками соответственно. Печатается с разрешения исх. 16. Авторское право Американского химического общества, 2016 г.

Ячейка для фотоэлектросинтеза, сенсибилизированная красителем, показанная на рис. 5, объединяет оксидные полупроводники с большой шириной запрещенной зоны и наночастицы со светопоглощающими и каталитическими свойствами спроектированных сборок хромофор-катализатор для разделения воды.Также проводится дополнительная модификация катодного отсека электролизера для использования восстановительных эквивалентов H ₂ для преобразования CO ₂ в органические оксигенатные топлива (16). Стоит отметить, что хотя усилия по использованию антропогенного диоксида углерода для материалов и полимеров продолжаются, количество CO ₂ , производимое в процессе производства энергии, намного больше, чем требуется для материалов и полимеров.

Другой подход, представленный Харамилло, следует по пути, в котором эффективность существующих фотоэлектрических технологий и фотоэлектрических технологий ближайшего будущего сочетается с отдельными водяными электролизерами для поколений H ₂ и O ₂ , а не через единый интегрированный светопоглотитель-каталитическая система (18).Это объединит необходимость фотоэлектрических поглотителей большой площади для относительно рассеянной солнечной энергии с эффективностью более централизованного электрохимического реактора для производства H ₂ и O ₂ . При быстром снижении цен на фотоэлектрические элементы проблемой становится стоимость и эффективность водного электролизера.

Хотя водород в качестве топлива имеет много положительных качеств — он генерирует больше энергии, чем любое химическое топливо на единицу массы при окислении, и его запасы безграничны — есть аспекты его использования, которые представляют собой препятствия и проблемы.Одной из проблем является хранение H ₂ , поскольку он не является легко конденсируемым газом. В процессе сжижения H ₂ , который в настоящее время производится в промышленности для удобной и недорогой доставки, расходуется примерно треть его стоимости в качестве топлива (19). Вторая проблема — это доставка водорода на заправочные станции для транспорта, который потребляет больше энергии, чем производство электроэнергии. Электромобили на топливных элементах (FCEV), работающие на водороде, нуждаются в заправочных станциях, доставляющих H ₂ при давлении 70 МПа.По состоянию на 2018 год в Калифорнии насчитывается около 50 таких заправочных станций для поддержки ограниченного числа FCEV в качестве пилотного проекта их использования в безуглеродных перевозках. Следует отметить, что Япония взяла на себя серьезные долгосрочные обязательства в отношении FCEV с прогнозируемым количеством автомобилей и заправочных станций в течение следующих 8 лет в размере 800 000 и 2 000, соответственно (20). Также существуют пригородные электропоезда на топливных элементах производства Alstom в Германии (21, 22). Все эти усилия дополняют быстрорастущий сектор электромобилей, который для работы основан на батареях, а не на топливных элементах.

Как только H ₂ можно будет генерировать с помощью фотоэлектрических водных электролизеров, он сможет заменить водород, который в настоящее время используется в промышленности и производится путем риформинга природного газа (с сопутствующим образованием CO ₂ ). Самый крупный промышленный процесс с использованием водорода — это синтез аммиака Габера – Боша; он производит 4,5 × 10 ⁹ кг NH ₃ для сельского хозяйства и производства продуктов питания, с глобальным потреблением от 3 до 5% природного газа в год. Этот процесс имеет решающее значение для обеспечения биологической доступности азота в масштабах, необходимых для прокормления жителей планеты.Роль, которую играет аммиак в сегодняшнем мире, может также значительно расшириться в энергетическом ландшафте будущего как источник «хранимого» водорода (23). Аммиак в качестве возможного топлива уже давно признан (хотя широко не используется), и термодинамика его образования подтверждает его возможную роль в качестве хранимого источника водорода. Принимая во внимание тот факт, что обращение с аммиаком в больших масштабах уже осуществлено, он может лучше подойти для распределения H ₂ в центры FCEV вместо сжиженного водорода.Тем не менее, еще предстоит провести гораздо больше исследований, особенно в отношении источника водорода, используемого в синтезе аммиака, и любое нагревание, необходимое для запуска процесса, не может происходить из природного газа, как это делается в настоящее время.

Другая стратегия снижения годового количества CO ₂ , попадающего в атмосферу в результате окисления углеводородного топлива, была описана как «улавливание углерода», при котором выхлоп CO ₂ улавливается на электростанции, а затем каким-то образом улавливается ( 24). Яблонович обсудил эту стратегию «отрицательного углерода», основанную на относительно простом анализе затрат, а затем предположил, что лучший способ довести это решение до завершения — это закопать образовавшийся CO ₂ .В других беседах Линд и Ноцера рассмотрели стратегию использования модифицированных организмов для снижения CO ₂ до углеводного уровня с химическим потенциалом, чтобы такие соединения можно было использовать в качестве источников энергии. Таким образом, использование такого топлива будет углеродно-нейтральным, что позволит восстановить CO ₂ для получения топлива, которое при окислении регенерирует такое же количество CO ₂ . Система из лаборатории Nocera показана на рис.6, в которой водород, полученный при расщеплении воды, потребляется Ralstonia eutropha для выращивания и производства биомассы или для более сложных версий для производства жидкого топлива, такого как изопропанол (25, 26). .

Рис. 6.

( A ) Биоинженерная схема преобразования энергии, иллюстрирующая, как H ₂ , генерируемый расщеплением солнечной воды, используется в тандеме с R. eutropha для производства кислородсодержащего топлива (изопропанола). ( B ) График иллюстрирует термодинамику полуреакций и перенапряжения, необходимые для различных стадий. Печатается с разрешения исх. 25.

Взаимное превращение соединений из оксигенатов углерода в углеводы и другие восстановленные углеродные соединения обсуждалось Голдбергом с точки зрения проблем, связанных с катализом таких реакций восстановления CO ₂ , и того, как эти превращения могут быть осуществлены с помощью разработки новых селективных катализаторов. .Подробности можно найти в их соответствующих выступлениях, доступных на сайте Коллоквиума.

Отличительной чертой коллоквиума Саклера было наличие 2 панельных дискуссий в конце презентаций каждый день, в течение которых вопросы, комментарии и мнения могли быть самыми разными и выходить за рамки обычных дискуссий на научных встречах. Каждая панельная дискуссия создавала живое взаимодействие между аудиторией и спикерами. Одной из провокационных тем была перспектива достижения декарбонизации в короткие сроки, необходимые для предотвращения критического изменения климата.Цель длительного хранения энергии — серьезный барьер на пути декарбонизации электросети. Литий-ионные аккумуляторы, которые сейчас находятся на стадии планирования, обычно имеют время разряда 4 часа, которого достаточно, чтобы переместить солнечное электричество после обеда на вечернее или для того, чтобы покрыть спокойный полдень, когда ветер может не дуть. Однако требуется гораздо более продолжительное хранение, чтобы преодолеть несоответствие спроса в будние и выходные дни, дневные и еженедельные погодные условия в тихие, пасмурные или ненастные дни, отключение из-за экстремальных погодных условий и сезонные колебания потребности в отоплении и охлаждении (10).

Обсуждение относительных преимуществ аккумуляторов по сравнению с хранением водорода, полученного путем искусственного фотосинтеза или электролиза под действием фотоэлектрических элементов, проиллюстрировало не только научные проблемы, но и важность низкой стоимости в обеспечении широкого распространения. Хотя батареи и фотоэлементы являются образцом быстрого развертывания, основанного на затратах, для каждого из них потребовались длительные инкубационные периоды, необходимые для понимания основных материалов и явлений. Важность таких периодов открытия видна в других секторах, таких как гидроразрыв и светоизлучающие диоды, которые получили широкое распространение после быстрого снижения затрат.По-разному, хотя искусственный фотосинтез и электрокатализ все еще находятся в своей фундаментальной науке и методах открытий, необходимо сократить сроки практического внедрения.

Часто подчеркивалась важность сильного междисциплинарного взаимодействия для содействия прогрессу. Фундаментальная электрохимия, лежащая в основе исследований батарей, топливных элементов, катализа и фотосинтеза, обеспечивает общую связь между учеными, придерживающимися различных подходов в исследованиях декарбонизации энергии.Мы все согласились с тем, что поиск способов обмена информацией и идеями в разных областях имеет решающее значение для ускорения темпов открытий и инноваций. Одна из платформ для обмена информацией и стимулирования идей — это численное моделирование молекул и материалов до того, как они будут созданы в лаборатории. В настоящее время существует множество обширных баз данных о равновесных свойствах материалов и молекул, таких как кристаллическая, молекулярная, электронная и магнитная структуры, энергии образования, потенциалы ионизации и сродство к электрону (27–29).Эти базы данных позволяют быстро проверять тысячи материалов или молекул на предмет наиболее многообещающих кандидатов для данной области применения.

Моделирование материалов может быть поднято на новый уровень с двумя нововведениями, которые меняют правила игры. Первый — это единая интерактивная поисковая машина, которая может получить доступ к множеству отдельных баз данных, созданных и поддерживаемых отдельными исследовательскими группами. Ярким примером является Google: он собирает данные из удаленных источников, сортирует и представляет информацию за секунды в ответ на поисковый запрос.Поисковая машина в стиле Google, способная получить доступ ко всем специализированным материалам и молекулярным базам данных и быстро сортировать результаты поиска, ускорит генерацию новых идей и позволит их оценивать в гораздо более короткие сроки, чем это возможно сейчас.

Второй шаг вперед в моделировании материалов — это выход за рамки равновесных свойств идеальных материалов и молекул, охватывающий дефекты, беспорядок, легирование, динамику, подвижность, возбужденные состояния, метастабильные фазы и химические реакции.Все это важные особенности реалистичных систем, которые по большей части недоступны для существующих высокопроизводительных симуляторов. При наличии достаточно больших компьютеров некоторые из этих свойств, такие как дефекты, беспорядок и легирование, теперь можно моделировать. Другие, такие как динамика, возбужденные состояния, метастабильные фазы и химические реакции, требуют разработки новых вычислительных подходов, чтобы стать мейнстримом. Машинное обучение и искусственный интеллект, которые долгое время использовались для открытия лекарств, но только сейчас применяются к материалам для получения энергии, могут выявить скрытые корреляции между материалами и свойствами, для которых нет хорошего понимания первых принципов, таких как возбужденные состояния и неравновесная динамика (30). .Моделирование, выходящее за рамки равновесных свойств, которые сейчас можно вообразить, но еще не доведено до практического применения, значительно ускорило бы открытие новых материалов и явлений для декарбонизации и помогло бы сократить расходы, необходимые для широкого внедрения.

В статье для Всемирного экономического форума под названием «Откуда наша энергия будет поступать в 2030 году и насколько она будет экологичной?» Кэтрин Гамильтон, директор Проекта чистой энергии и инноваций и сопредседатель Совета глобального будущего по вопросам будущего энергетики, заявила следующее (31):

Энергетический сектор уже очень быстро меняется.Мы надеемся, что он переходит в сторону большей способности удовлетворять потребности в энергии растущего населения мира с уменьшенным использованием углерода, поддерживая непрерывный экономический рост экологически устойчивым образом.

Но этот переход не обязательно произойдет сам по себе. Нам нужно собрать в одной комнате ключевых игроков, которые могут поделиться своим опытом и взглядами, и коллективно придумывать лучшие идеи, чем любой из нас мог бы в одиночку, а затем решать, как реализовать эти идеи.Отсюда и необходимость в этом Совете глобального будущего.

Какие ключевые игроки должны быть задействованы?

Разумеется, важны действующие операторы — крупные энергетические компании, которые владеют и контролируют инфраструктуру, особенно в промышленно развитых странах. Их часто критикуют как часть проблемы, но они также должны быть частью решения. Кроме того, нам нужны новаторы — предприниматели, которые придумывают идеи, чтобы подорвать сектор.И нам нужен вклад потребителей энергии, в том числе крупных корпораций и муниципалитетов.

Представители финансового сектора важны — эксперты в области облигаций, рисков и страхования. Есть много капитала, который ищет хорошие проекты для финансирования, но основным препятствием для инвесторов является уверенность в том, что эти проекты найдут рынок. Создание уверенности — это одна из важных вещей, которые политики и лица, определяющие политику, могут сделать, чтобы помочь, и именно им, в конечном счете, понадобится видение для определения целей энергетического сектора и разработки политики для их достижения.

Последние выводы, сделанные Гамильтоном, аналогичны тем, которые были высказаны Монисом и Маджумдаром при создании структуры для поддержки и продвижения инноваций. Однако в ключевых фигурах Гамильтона явно не было «ученых». Такие люди — исследователи, которые открывают и разрабатывают многообещающие новые материалы и методы преобразования и хранения энергии, на которых будут построены энергетические технологии будущего. Наука, представленная на коллоквиуме Саклера, включала открытия более эффективных материалов для поглощения света, мембраны для разделения сторон окисления и восстановления в реакциях накопления энергии, понимание фотофизики и фотохимии, которые приводят к электрическому току и / или накопленному химическому потенциалу, и методологии и системы обратимого накопления и преобразования энергии в полезную работу.Хотя за последние несколько десятилетий во всех аспектах «энергетической науки» были достигнуты большие успехи, временные рамки, указанные МГЭИК для широкомасштабного внедрения безуглеродной энергии, были значительно сокращены. Многие ключевые проблемы в науке о декарбонизации энергии остаются, и, учитывая более сжатые временные рамки для достижения этой цели, в ближайшей перспективе необходимо сделать упор на увязку фундаментальной науки с технологиями в масштабе.

Благодарности

Мы благодарим следующие источники и агентства за поддержку исследований в критических областях преобразования солнечной энергии и хранения возобновляемой энергии.Для R.E .: Отделение химических наук, наук о Земле и биологических наук, Управление фундаментальных энергетических наук, грант Министерства энергетики США DE-FG02-09ER16121 и грант Национального научного фонда на совместные исследования CHE-1151789; для H.B.G .: Национальный научный фонд, Центр химических инноваций (NSF CCI Solar Fuels), грант CHE-1305124; и для G.W.C .: Объединенный центр исследований по хранению энергии, центр энергетических инноваций, финансируемый Министерством энергетики США, Управлением науки и фундаментальных энергетических наук.

Сноски

• Авторы: R.E., H.B.G. и G.W.C. проанализировал данные и написал статью.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Настоящий документ является результатом Коллоквиума Артура М. Саклера Национальной академии наук «Состояние и проблемы декарбонизации нашего энергетического ландшафта», состоявшегося 10–12 октября 2018 г. в Национальном центре имени Арнольда и Мейбл Бекман. Академии наук и инженерии в Ирвине, Калифорния.Коллоквиумы НАН начались в 1991 г. и с 1995 г. публикуются в PNAS. С февраля 2001 г. по май 2019 г. коллоквиумы поддерживались щедрым подарком от Дамы Джиллиан и д-ра Артура М. Саклера Фонда искусств, наук и гуманитарных наук в память мужа дамы Саклер, Артура М. Саклера. Полная программа и видеозаписи большинства презентаций доступны на веб-сайте NAS http://www.nasonline.org/decarbonizing.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

14 альтернативных источников энергии, которые могут иметь значение

Альтернативные источники энергии растут

В энергетическом секторе ископаемых видов топлива источников были основным источником энергии из-за их относительно низкой цены. Тем не менее, наша потребность в энергии прогнозируется, что вырастет до в будущем, и мы больше не можем полагаться на конечных и , загрязняющих источников энергии. За последнее десятилетие мы увидели положительных сдвигов, в сторону расширения наших мощностей по возобновляемым источникам энергии, как на местном, так и на глобальном уровне.

Панели солнечных батарей, ветряные турбины , установленные на суше и на море, и гидроэлектроэнергия — вот некоторые из альтернативных энергетических технологий , которые будут обеспечивать наши будущие потребности в энергии . Наша зависимость от природного газа и нефти является самой большой причиной экологического ущерба, и в энергетическом секторе только несет ответственность за 1,7% увеличение количества углекислого газа в нашей атмосфере. Таким образом, альтернативные источники энергии будут в центре внимания для предотвращения дальнейшего воздействия изменения климата на нашу планету.

Согласно ежегодной статистике IRENA по возобновляемым мощностям за 2019 год, мировая мощность возобновляемых источников энергии достигла 2351 ГВт . Из трех альтернативных источников энергии с наибольшим процентом:

1. На долю гидроэнергетики приходится 1172 ГВт, , что составляет примерно половину от общей суммы.
2. Береговая и морская энергия Ветровая энергия занимает второе место с мощностью 564 ГВт.
3. Мощность солнечной энергии немного меньше — 480 ГВт, разделенных между солнечной фотоэлектрической и солнечной тепловой энергией.

Альтернативная энергия источников прогнозируется до расширение в каждом секторе к 2023 . Электроэнергетический сектор имеет наибольшую долю 30% , и на пути декарбонизации электрификация станет основным энергоносителем , большая часть которого будет генерироваться за счет возобновляемых источников энергии.

Отопление занимает второе место с 12%, а сектор транспорта идет последним с только 3.8% альтернативных источников энергии, нуждающихся в улучшении.

В инфографике ниже GreenMatch выделяет текущие и будущие альтернативных источников энергии, а также дает обзор инвестиций и будущих прогнозов на нашем пути к устойчивому будущему .

Если вы хотите использовать эту инфографику на своем веб-сайте, используйте код для встраивания ниже:

Получить код для встраивания

Инвестиции в 2019 году замедляются?

В соответствии с планом реализации, установленным Парижским соглашением , совокупные инвестиции в экологически чистую энергию должны составить долларов США 110 трлн ., или около 2% (среднего) годового валового внутреннего продукта за этот период.

Приобретенная тяга к альтернативным источникам энергии снизила затраты, особенно на солнечную энергию. Согласно отчету REN21 о состоянии возобновляемой энергетики за 2019 год, глобальные инвестиции в новые мощности достигли 288,9 млрд долларов США. , без учета гидроэнергетики свыше 50 МВт.

Китайское правительство прекратило свои схемы субсидирования , потому что солнечная энергия теперь считается доступной по цене и приводит к недостаточному развертыванию солнечной энергии в Китае.В результате цифры показывают на 11% меньше инвестиций по сравнению с 2017 годом.

Аналогичным образом, в апреле 2019 года схема льготных тарифов в Великобритании прекратила действие для новых заявителей, желающих использовать альтернативную энергию.

Инвестиции Прогноз предусматривает стабилизацию и рост инвестиций для следующего обзора. До сих пор Китай является крупнейшим инвестором по странам. Их снижение расходов на солнечную энергию из-за субсидии значительно повлияло на общее количество, демонстрируя явное доминирование на рынке возобновляемых источников энергии.

Область применения альтернативных источников энергии будущего

Более широкое внедрение альтернативных источников энергии зависит от еще более эффективных возобновляемых технологий и реструктуризации электроэнергетической отрасли. С использованием возобновляемых источников энергии, производство чистой энергии возможно на уровне домашнего хозяйства , с такими технологиями, как солнечные панели , тепловые насосы и котлы на биомассе.

Чтобы в полной мере использовать энергию, которая в основном зависит от погоды или от времени , нам еще предстоит придумать лучшие решения для хранения энергии .

Землепользование и рост населения

При росте населения заявлено на 9,7 млрд. Грн. к 2050 году , более широкое использование крупных солнечных ферм может быть не идеальным решением, поскольку они занимают много земли. Минимизация площади земельного участка имеет решающее значение, или разрабатывает более эффективных технологий, таких как преобразователи энергии ветра .

Ветровая энергия в настоящее время является одним из наиболее важных альтернативных источников энергии в Великобритании и обеспечивает примерно 4 млн.дома. Оффшорный Ветер все еще недостаточно развит из-за дорогостоящего обслуживания и расположения в глубоких водах, но в будущем мы сможем более эффективно вырабатывать энергию из океанов и глубоких вод .

Недостатки в конструкции современных ветряных турбин ограничивают потенциал использования энергии ветра, неспособного преодолевать ветры на больших высотах. Будущие воздушные технологии могут проложить путь с гораздо более многообещающим радиусом действия от до 500 м , где ветры на сильнее .

Один из наиболее дорогостоящих проектов на ранней стадии включает в себя получение солнечной энергии из помещения . Прототип состоит из оптических отражателей, фотоэлементов, преобразующих солнечный свет в энергию, и схемы, преобразующей электричество в радиочастоты. Затем интегрированная антенна будет передавать энергию обратно на Землю.

В будущем этот инновационный альтернативный источник энергии сможет удовлетворить потребности в энергии нашего растущего населения без ограничений, используя постоянный солнечный свет из космоса.

Хранение зеленой энергии

Эффективный аккумулятор жизненно важен для более широкого внедрения альтернативных источников энергии. Солнечная фотоэлектрическая энергия зависит от прямого солнечного воздействия, а это означает, что значительное количество энергии идет неиспользованным или тратится впустую из-за отсутствия встроенных солнечных аккумуляторных батарей.

В будущем водород будет движущим источником энергии. В настоящее время большая часть производится из ископаемого топлива. Однако излишков альтернативной энергии также используется для производства газообразного водорода.Применения универсальны — газообразный водород можно подавать в сеть природного газа или с помощью топливных элементов для обратного преобразования в электричество. Водород можно было бы широко использовать в транспортном секторе, когда мы сможем предложить менее дорогостоящих решений для более широкого внедрения таких альтернативных источников энергии.

Водород имеет наивысшую плотность из всех видов топлива, что делает его более подходящим для распределения и хранения. Его стабильный химический состав также означает, что может удерживать энергию на лучше, чем любая другая среда.

В будущем создание инфраструктуры снабжения и хранения позволит более эффективно использовать водорода. В планы на будущее для водорода входит строительство подземной системы хранения , где излишки энергии ветра, например, могут быть преобразованы в водород посредством электролиза .

Альтернативная энергетика и инфраструктура

Наша текущая глобальная инфраструктура адаптирована только для ископаемого топлива. Строительство нового займет годы и огромное количество ресурсов.В последние годы автономных технологий , основанных на альтернативной энергии, смогли обеспечить питание удаленных пунктов в виде мини- или локальных сетей.

Полная децентрализация сети предоставит клиентам возможность продавать электроэнергию обратно в сеть, а получит контроль над необходимой и потребляемой энергией . Однако Великобритания далека от полной децентрализации из-за масштабов необходимых преобразований.

Ряд из предприятий , однако, можно считать пионерами в автономной реструктуризации в Великобритании, таких как UPS и некоторые из гигантов розничной торговли и супермаркетов .

Расширение масштабов альтернативной энергетики откроет еще рабочих мест в секторе устойчивой энергетики. Рост и внедрение во всех секторах потребуют лет планирования и значительных инвестиций .

Чтобы гарантировать будущее без дальнейших выбросов парниковых газов, мы можем начать с введения более запретов, , на будущие проекты по ископаемому топливу и более строгие цели по выбросам .

Можно ли получить энергию бесплатно?

Вопрос о том, можем ли мы получить энергию бесплатно, по-прежнему зависит от того, как мы определяем бесплатность.На последней странице мы узнали, что мы не можем ни бесконечно удерживать энергию в замкнутой системе, ни увеличивать ее количество, создавая новую энергию.

Итак, мы обнаруживаем, что смотрим во все более знакомый мир возобновляемых источников энергии, которые можно считать бесплатными или, по крайней мере, еще одним лучшим вариантом. Непосредственно производимая возобновляемая энергия может быть получена напрямую из солнечных, ветровых, геотермальных и гидроэнергетических источников. Используя эти легкодоступные, встречающиеся в природе формы энергии, мы могли бы заправлять нашу планету менее агрессивным и вредным способом, чем невозобновляемые источники, такие как уголь и нефть.В конечном итоге это может быть даже дешевле биотоплива. Однако до сих пор неясно, как планета реагирует, когда мы изменяем циркуляцию энергии — скажем, направляя солнечный свет в солнечную батарею или используя тепло огненного ядра Земли для получения геотермальной энергии.

Но есть ли в уравнении неотъемлемая стоимость возобновляемой энергии, которая разрушает бесплатный аспект? Разработка эффективных технологий для преобразования этих природных форм энергии в практическое использование уже много лет ставит множество текущих задач.Но по мере роста цен на нефть исследователи и разработчики считают затраты на разработку и внедрение решений по возобновляемым источникам топлива более целесообразными. Ветряные электростанции, преобразователи волновой энергии, солнечные панели и плотины гидроэлектростанций — все это возобновляемые источники энергии, пользующиеся успехом во всем мире.

Хотя первичная разработка новой энергетической технологии может быть дорогостоящей, она постепенно может вернуть этот долг по мере того, как он набирает обороты. Как только технология станет востребованной, потребитель, бизнес или правительство могут сделать первоначальные вложения, и, в конечном итоге, система окупится.В разных частях мира часто инвестируются в разные варианты возобновляемых источников энергии — например, Невада является более подходящей целевой средой для солнечных панелей, чем, скажем, Аляска. Конечно, вам, возможно, придется время от времени оплачивать небольшие работы по техническому обслуживанию.

Если вы хотите сделать потребительские инвестиции в возобновляемые источники энергии, вы можете покрыть крышу солнечными батареями или установить геотермальную систему у себя во дворе. Геотермальная энергия может заменить обычные системы отопления и кондиционирования воздуха, используя устойчивую температуру Земли для нагрева или охлаждения жидкости, которая течет по трубам, проложенным вокруг двора.Установка геотермальных систем может быть дорогостоящей, но долгосрочная экономия может окупить их.

Чтобы узнать больше об использовании энергии, протекающей вокруг нашей естественной среды, просмотрите ссылки на следующей странице.

Источники энергии — Управление энергетической информации США (EIA)

Большая часть нашей энергии невозобновляема

В Соединенных Штатах и ​​многих других странах большинство источников энергии для выполнения работы представляют собой невозобновляемые источники энергии:

Эти источники энергии называются невозобновляемыми, потому что их запасы ограничены объемами, которые мы можем добывать или извлекать из земли.Уголь, природный газ и нефть образовывались на протяжении тысяч лет из захороненных останков древних морских растений и животных, которые жили миллионы лет назад. Вот почему мы также называем эти источники энергии ископаемым топливом .

Большая часть нефтепродуктов, потребляемых в США, производится из сырой нефти, но жидкие углеводороды также могут быть получены из природного газа и угля.

Ядерная энергия производится из урана, невозобновляемого источника энергии, атомы которого расщепляются (посредством процесса, называемого ядерным делением) для получения тепла и, в конечном итоге, электричества.Ученые считают, что уран был создан миллиарды лет назад, когда образовались звезды. Уран встречается повсюду в земной коре, но его добывать и перерабатывать в топливо для атомных электростанций слишком сложно или слишком дорого.

Есть пять основных возобновляемых источников энергии

Основными видами или источниками возобновляемой энергии являются:

Их называют возобновляемыми источниками энергии, потому что они восполняются естественным образом. День за днем ​​светит солнце, растут растения, дует ветер, текут реки.

Возобновляемая энергия была основным источником энергии на протяжении большей части истории человечества

На протяжении большей части истории человечества биомасса растений была основным источником энергии, которую сжигали для получения тепла и корма животных, используемых для транспортировки и вспашки. Невозобновляемые источники начали заменять большую часть возобновляемых источников энергии в Соединенных Штатах в начале 1800-х годов, а к началу 1900-х годов ископаемое топливо было основным источником энергии. Использование биомассы для отопления домов оставалось источником энергии, но в основном в сельской местности и для дополнительного тепла в городских районах.В середине 1980-х годов использование биомассы и других форм возобновляемой энергии начало расти в основном из-за стимулов к их использованию, особенно для производства электроэнергии. Многие страны работают над увеличением использования возобновляемых источников энергии, чтобы сократить и избежать выбросов углекислого газа.

Узнайте больше об истории использования энергии в США и сроках использования источников энергии.

На приведенной ниже диаграмме показаны источники энергии в США, их основные виды использования и их процентные доли от общего количества U.С. Энергопотребление в 2020 г.

Скачать изображение Энергопотребление в США по источникам, 2020 г. потребление энергии с разбивкой по источникам, 2020 г. биомасса возобновляемое отопление, электричество, транспорт 4,9% гидроэнергия возобновляемая электроэнергия 2,8% ветровая возобновляемая электроэнергия 3,2% солнечная возобновляемая энергия отопление, электричество 1,3% геотермальная возобновляемая энергия отопление, электроэнергия 0,2% бензин возобновляемая энергия транспорт, производство, электроэнергия 34,7% природный газ невозобновляемое отопление, производство электроэнергии 33, производство9% уголь невозобновляемая электроэнергия, производство 9,9% ядерная (из урана) невозобновляемая электроэнергия 8,9% Небольшое количество источников, не включенных выше, — это чистый импорт электроэнергии и угольный кокс.