Сырьевое будущее ч.2

Добрый день, читатели UT Magazine. Темой моей статьи является альтернативная энергетика. Почему я выбрал эту тему? Потому что сегодня, как никогда ранее, человечество нуждается в переходе на альтернативные источники энергии по многим причинам: увеличение потребления электроэнергии, загрязнение окружающий среды, которое ведет к сокращению популяций обитателей нашей планеты; экологические проблемы,связанные с выкачкой сырья из недр планеты, что позже ведет к загрязнению почв;гео-политическая неопределённость, связанная с мировой борьбой за энергоносители + сырье является основным источником валютной выручки от экспорта

Итак, альтернативные источники энергии - это совокупность перспективных способов получения, передачи и использования энергии при низком риске причинения вреда окружающей среде.

После нефтяного кризиса 1973 года , когда только в США цена на бензин увеличилась с 30 центов до 1,2 долларов за галлон и привело к кризису во многих отраслях промышленности, развитые страны серьезно задумали о сокращении зависимости от традиционных источников энергии. В принципе,этот кризис и можно считать отправной точкой в повсеместном развитии альтернативной энергетики.

Объемы потребления нефти сегодня поистине впечатляющим. Например, чтобы произвести столько же энергии, сколько ее содержится в потребляемой нефти необходимо построить порядка 4000 атомных станций по 1,5 ГВт каждая. На сегодня в мире примерно 440 действующих атомных реакторов общей мощностью около 363 ГВт. Если построить еще 4000 атомных реакторов в соответствии с существующими технологиями, то все известные запасы урана будут использованы буквально за 10 лет.

По данным BP Statistical Review of World Energy 2013 потребление энергии в мире распределено в следующих пропорциях:

На данный момент основными альтернативными источниками энергии являются:

• ветроэнергетика

Ветроэнергетика основывается на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. В 2010 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 тераватт-часов (2,5 % всей произведённой человечеством электрической энергии).На данный момент запасы энергии этого типа значительно превосходят запасы гидроэнергетических ресурсов, однако такой тип энергетики имеет свои недостатки:

1. Происходит незначительное изменение климатического режима за счет изменения скорости ветра, который является распространителем погоды.
2. А. Механический шум — шум от работы механических и электрических компонентов (для современных ветроустановок практически отсутствует, но является значительным в ветроустановках старших моделей)
3. Б. Аэродинамический шум — шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки (усиливается при прохождении лопасти мимо башни ветроустановки)

- Низкочастотные колебания, передающиеся через почву, вызывают ощутимый дребезг стекол в домах на близком расстоянии от ветроустановок мегаваттного класса. Чтобы снизить этот показатель, принято решение о запрещении строительства такого типа установок ближе 300 м. от жилого фонда.

- При эксплуатации ветроустановок в зимний период при высокой влажности воздуха возможно образование ледяных наростов на лопастях. При пуске ветроустановки возможен разлёт льда на значительное расстояние.

- Возле концов лопастей ветрогенератора образуется область пониженного давления, и млекопитающее, попавшее в неё, получает баротравму.

Однако, стоит заметить, что имеются и значительный преимущества:

- Энергия ветра может быть достаточно дешевой, если будет использоваться в широких масштабах и на начальном этапе при поддержке государства. По некоторым оценкам цена КВт-часа может быть ниже 4-6 центов.

- Ветрогенераторы не производят вредных выбросов в процессе эксплуатации.

- Ветряные турбины расположены на мачтах, и занимают очень мало места, что позволяет размещать их совместно с другими строениями и объектами.Отсутствие каких-либо вредный выбросов и возможность установки практически в любой точке планеты.

• биоэнергетика

Сам термин биоэнергетика подразумевает получение электрической энергии из биотоплива. На данный момент этот способ получения энергии является очень перспективным, т.к. человечество стоит перед проблемой утилизации органических отходов, избыток которых может приводить не только к загрязнению окружающей среды, но и к эпидемиям таких болезней как холера.

Биотоплива разделяют на твердые, жидкие и газообразные. Твердые — это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки) и топливные гранулы (прессованные мелкие остатки деревообработки).Жидкие топлива — это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут. Газообразные топлива — различные газовые смеси с угарным газом, метаном, водородом получаемые при термическом разложении сырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при сбраживании под воздействием бактерий.

На данный момент широкое распространение получило производство электроэнергии путем сжигания биодизеля и биогаза,т.к. их производство является высокорентабельным и не вызывает изменений в балансе углекислого газа в атмосфере. 

Схематически производство электроэнергии таким способом можно изобразить так:

Извиняюсь, что данные немного устарели, но стоит заметить, что темпы роста производства биогаза ,в среднем, увеличиваются на 15-20%. 

Среди преимуществ производства этого топлива можно назвать:
- из 1 м³ биогаза можно выработать около 2 кВт электроэнергии.

- производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу, снизить применение химических удобрений, сократить нагрузку на грунтовые воды.

- биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах, что повышает санитарно-гигиеническое состояние этих предприятий.

- тепло – от охлаждения генератора или от сжигания биогаза. Полученное тепло используют для обогрева помещений.

С биодизелем, как и с другими биоаналогами топлива для ДВС, все гораздо проще,т.к. можно залить биодизель в автомобиль с дизельным двигателем без каких-либо перенастроек последнего и имеет значительные преимущества . 

Еще стоит упомянуть, что биотопливо подразделяется на поколения, которые зависят от технологий добычи и отдачи в производстве:
- Биотопливо первого поколения изготовляют из сахара, крахмала, растительного масла и животного жира, используя традиционные технологии. Основными источниками сырья являются семена или зерна. Например, семена подсолнуха прессуют для получения растительного масла, которое затем может быть использовано в биодизеле. Из пшеницы получают крахмал, после его сбраживания – биоэтанол.

- Биотопливо второго поколения состоит из из древесной или волокнистой биомассы, содержащей полезные сахара в целлюлозе и лигнине. Все растения содержат целлюлозу и лигнин. Они представляют собой составные углеводы (молекулы, основанные на сахаре). Лигноцеллюлозный этанол получают путем отделения молекул сахаров от целлюлозы, используя энзимы, нагревание паром и другие дообработки.

- Отдельно стоит поговорить о третьем поколении биотоплива. Оно основывается на производстве топлива из водорослей. Почему этот метод является инновационным? Водоросли могут трансформироваться в биотопливо, причём эффективность метода достигает невероятных 65%. Водоросли можно преобразовать в нефть ,как показали новые исследования, суть которых состоит в обработке водорослей горячей водой под давлением в 3500 килограммов на квадратный сантиметр, во время которой биомасса трансформируется в жидкое состояние. Причем процесс этот занимает не миллионы лет , а чуть меньше часа. 

• геотермальная энергетика

Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. 

В подавляющем большинстве случаев электроэнергия из геотермальных источников энергии производится тремя способами. Это так называемая прямая схема, в которой используется сухой пар, непрямая (на основе водяного пара) и смешанная (на основе бинарного цикла).

Раньше всего удалось создать электростанции на сухом пару. Чтобы получить требующуюся энергию пар пропускается через турбину или генератор. В последнее время всё большее распространение получает непрямая схема получения. Это наиболее популярный тип геотермальных станцийв мире. Работу обеспечивают горячие подземные воды. Их температура достигает 300 градусов.

К основным преимуществам геотермальной энерегтики можно отнести:

- Запасы геотермальной энергии велики, хотя и не бесконечны. Ее можно считать возобновляемым источником энергии — во всяком случае, при условии, что в нагнетательную скважину не закачивается слишком много воды за слишком короткое время.

- Геотермальная электростанция для работы не требует поставок топлива из внешних источников.

- Работа геотермальных электростанций не сопровождается вредными или токсичными выбросами (см., однако, третий недостаток геотермальных электростанций ниже).

- Обычная геотермальная электростанция, расположенная на берегу моря или океана, может применяться и для опреснения воды, которую затем можно использовать для питья или ирригации. Опреснение происходит естественным путем в результате дистилляции — разогрева воды и охлаждения водяного пара в процессе работы электростанции.

Но, как и всех,существуют свои недостатки:

- Найти подходящее место для строительства геотермальной электростанции и получить разрешение местных властей и согласие жителей на ее возведение может быть проблематичным.

- Иногда действующая геотермальная электростанция может остановиться в результате естественных изменений в земной коре. Кроме того, причиной ее остановки может стать плохой выбор места или чрезмерная закачка воды в породу через нагнетательную скважину.

- Через эксплуатационную скважину могут выделяться горючие или токсичные газы или минералы, содержащиеся в породах земной коры. Избавиться от них достаточно сложно. Правда, в некоторых случаях их можно сифонировать (собрать) и переработать в горючее (нефть-сырец или природный газ, например).

• гидроэнергетика

Гидроэнергетика предполагает использование энергии водного потока для преобразования ее в электрическую энергию. Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.Гидроэлектростанция с искусственным водохранилищем состоит из дамбы (плотины) и резервуара. Этот тип электростанций наилучшим образом подходит для холмистой или горной местности, где можно строить высокие плотины и создавать обширные и глубокие искусственные водохранилища.Энергия, которую может обеспечить водохранилище, зависит от массы воды, собранной в нем, а также от общей глубины водохранилища. Потенциальная энергия, которой обладает заданный объем воды, измеряется в ньютон-метрах (Нхм). Ньютон — стандартная единица измерения силы, эквивалентная силе, сообщающей телу массой в 1 кг ускорение в 1 метр в секунду за секунду (1 м/с2). Таким образом, потенциальная энергия данного объема воды составит массу этого объема, умноженную на ускорение свободного падения (около 9,8 м/с² у поверхности Земли), умноженную на высоту падения воды (т. е. на вертикальное расстояние, которое вода преодолеет при выходе из водохранилища). Соответствующая единица измерения кинетической энергии — джоуль (Дж), которая фактически равна ватту в секунду (Вт х с). Вода из водохранилища по напорному водоводу поступает к одной или нескольким турбинам, приводящим в действие электрогенераторы. Напряжение электрического тока, вырабатываемого генераторами, повышается при помощи повышающих трансформаторов, и дальше ток по линиям электропередачи передается в сеть.

Основными преимуществами ГЭС можно назвать следующие факторы:

- используется дешевая и возобновляемая электроэнергия

- быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

- Производительность ГЭС легко контролировать, изменяя скорость водяного потока (объем воды, подводимый к турбинам).

- Водохранилища, сооружаемые для гидростанций, можно использовать в качестве зон отдыха, порой вокруг них складывается поистине захватывающий пейзаж.

Среди недостатков стоит упомянуть уничтожение сложившейся экосистемы, в результате чего нарушается биологическое равновесие,что может привести к исчезнованию отедльных видов животных на данной местности. Так же высока опасность затапливаний,которые происходят в результате происшествий или аварийных выбросов воды. 

• атомная энергетика 

Атомная энергетика является одным из наиболее молодых способов получения электронергии. Не буду вдаваться в историю, но стоит упомянуть,что одновременно с разработкой ядерного оружия производились исследования для применения энергии атома в мирных целях. Испытания атомной бомбы закончилось успешно в 1945 году американцами на головы "воинствующих" японцев. А уже в 1949 году,в полуразрушенной стране Советов, происходит испытание своей атомной бомбы и далее , в 1954 году вводится в эксплуатацию первая в мире АЭС. Далее были взлеты и падения атомной энергетики,особенно стоит напомнить об аварии на Чернобыльской АЭС, где по факту виноват криворукий оператор, который, выключив всю автоматику, решил пойти на рекорды... В результате такой авантюры правительства многих стран начали сокращать или попросту запрещать (как Германия) использование АЭС.

Но страны,которые не поддержали данное решение,начали активно строить АЭС на своей территории , т.к. это гарантирует большую энергобезопаность,учитывая внедрение систем безопасности после аврии на Чернобыльской АЭС.

Всего в мире в стадии строительства находятся 56 новых реакторов, и до 2030 года планируется построить еще 143 реактора. По планам развития в США будет построено 115 реакторов, то есть 20,6 % от общемирового количества. В Китае за последние пять лет было построено и введено в эксплуатацию 8 реакторов. Еще около 20 реакторов на данный момент находятся в процессе строительства и еще 27 реакторов планируется построить к 2020 г. Также о своих намерениях развивать атомную энергетику заявили страны, до сих пор не имевшие АЭС: Турция, Белоруссия, Польша, Вьетнам, Индонезия, Марокко и другие. Среди достоинств АЭС можно назвать низкую себестоимость выработки электроэнергии, отсутствие каких-либо выбросов в окружающую среду,АЭС не потребляют кислород и т.д.
Но существуют огромные недостатки,которые очень часто играют ключевую роль в вопросе постройки АЭС:

- катастрофические последствия аварий на станции,чему уже есть примеры.
- проблема утилизации радиоактивных отходов.

- ликвидация АЭС после выработки ресурса, по оценкам она может составить до 20 % от стоимости их строительства.

• энергетика фотоэлементов

Фотоэлементы являются ключевым звеном в создании солнечных батарей.  Как правило, солнечные батареи состоят из кремния с различной степенью кристаллизации. Поэтому, глядя на отдельные ячейки фотоэлементов солнечной батареи можно увидеть, что они имеют различные цвета и оттенки. Некоторые элементы имеют расцветки от темно-синего до черного, другие, голубые с частичками кристаллов и т.д. Цвет ячейки зависит от технологии производства и используемого материала. 

Фотоэлементы, как правило, выполняются из полупроводниковых материалов соединенных между собой, образуя потенциальный барьер. Их работа основана на явлении p-n перехода возникающего под воздействием солнечного излучения. Фотоны, попадая на фотоэлемент в зону полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, «выбивает» электроны, которые начинают движение к зоне N, а затем пройдя через цепь (нагрузку) связываются с положительными зарядами (дырками). В результате движения электронов образуется  разность потенциалов, или напряжение.

Сегодня этот вид энергетики является одним из самых переспективных,т.к. с практической точки зрения это самый безопасный способ получения энергия за счет отсутствия выбросов загрязняющих веществ. 

Хотя и большинство устройств имеют КПД не более 25% , но уже совершен прорыв, в результате которого КПД фотоэлементов был повышен до 40% и открыта возможность напыления солнечных элементов на любую поверхность. 

Учитывая перспективность и хорошее географическое положение , руководство компании Tesla сделало упор на солнечные элементы для питания мощностей новой Tesla Gigafactory.

• термоядерная энергетика

 Однако, самое интересное предстоит нам увидеть по мере развития термоядерной энергетики.  

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. Реакция синтеза заключается в следующем: два или более относительно лёгких атомных ядра в результате теплового движения сближаются настолько, что короткодействующее сильное взаимодействие, проявляющееся на таких расстояниях, начинает преобладать над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего образуются ядра других, более тяжёлых элементов. Система нуклонов потеряет часть своей массы, равную энергии связи и по известной формуле E=mc², при создании нового ядра освободится значительная энергия сильного взаимодействия. Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, легче свести на нужное расстояние, поэтому тяжелые изотопы водорода являются лучшим видом топлива для управляемой реакции синтеза. Хотя ученые уже более 50 лет не могут построить термоядерный реактор, компания Lockheed Martin заявила о прорыве в области исследовании термоядерного синтеза.Разумеется, полных данных о своей работе корпорация не раскрывает, но намекает, что речь идёт о создании реактора мощностью порядка 100 мегаватт при габаритах в районе 2 × 3 метра, то есть спокойно умещающегося на платформе обычного грузовика.

Вот что говорит руководитель этого проекта: "В течение года должен быть построен и протестирован первый экспериментальный прототип, а появление промышленных прототипов установки обещается в течение следующих пяти лет. Это куда быстрее темпов работ над ITER. А через 10 лет, если всё пойдёт по плану, появятся и серийные реакторы этого типа. Пожелаем команде МакГайра удачи, ведь если у них всё получится, то мы имеем все шансы увидеть новую эру в энергетике человечества ещё при жизни этого поколения." 

Последствия данного прорыва сложно недооценить. Настанет эра дешевой энергии. Значимость остальных природных ресурсов резко упадет,что нанесет непоправимый удар по топливно-энергетическому сектору.

Еще нужно упомянуть малоизветсный e-cat , разработанный итальянцом А.Росси. В реакторах Росси (в РФ их считают обманом и шарлатантством, как вообще все новое) используются никелевый порошок и особый катализатор. Сам Росси живет теперь в Соединенных Штатах, и его установки стоимостью в 1,5 млн. долларов выпускаются в Северной Каролине, компанией «Industrial Heat LLC» ( Raleigh, N.C.). В начале октября 2014 опубликован отчет независимой группы по тесту генератора теплоты Е-САТ, созданного Андреа Росси. Шесть профессоров из Италии и Швеции 32 дня изучали работу генератора и измеряли все возможные параметры. Потом полгода обрабатывали результаты и занимались их осмыслением. Их вердикт однозначен: генератор Росси работает и производит немыслимое количество теплоты - плотность энергии в миллионы раз больше, чем при сгорании бензина такой же массы. А в самом устройстве меняется изотопный состав “горючих” материалов, т.е. происходят ядерные реакции. При этом вне реактора никаких излучений зафиксировать не удалось. 

Напоследок я хотел бы упомянуть одну новость,которая меня очень заинтересовала. Rockefeller Brothers Foundation объявил о немедленной продаже всех своих активов, связанных с углем и нефтяными песками, в рамках усилий по борьбе с изменением климата. Теперь фонд, буквально выстроенный на нефти, займется инвестициями в возобновляемые источники энергии. Общий объем выводимых средств составит около 50 млрд. долларов. Показательно,не правда ли?)) 
Мое личное мнение состоит в том,что миру необходим переход на качетсвенно новый уровень производсва электроэнергии,т.к. нынешний доминирующий подоход сжигания нефтепродуктов и угля наносит огромный вред окружающей среде+политическая обстановка предполагает Западным странам постепенный отказ от сырья из России и Арабских стран. 

В своей статье,как всегда,я пытался минимизировать объем текстовой информации,заменив все на илююстрации и видео. Возможно , что-то было упущено и я с радостью отвечу на любые вопросы))Спасибо за внимание).