Возобновляемые источники энергии. Виды

В начале XXI века около 80 процентов мировой выработки энергии было получено из ископаемого топлива, такого как уголь, нефть и природный газ. Ископаемые виды топлива являются ограниченными ресурсами. Большинство оценок показывают, что доказанных имеющихся запасов нефти хватит, чтобы удовлетворить мировой спрос, вероятно, лишь только до середины XXI века.

Сжигание ископаемого топлива сопровождается рядом негативных экологических последствий. Электростанции, работающие на ископаемом топливе, выделяют различные загрязнители воздуха, такие как диоксид серы, твёрдые частицы, оксиды азота и токсичные химические вещества (ртуть, хром и мышьяк), а транспортные средства, работающие на ископаемом топливе, выделяют оксиды азота, окись углерода и различные взвешенные частицы. Воздействие этих загрязняющих веществ может вызвать сердечные заболевания, астму и ряд других проблем со здоровьем человека. Кроме того, выбросы в результате сжигания ископаемого топлива ответственны за кислотные дожди, которые приводят к подкислению многих озер и дальнейшему нанесению вреда водной флоре и фауне, увяданию листьев во многих лесах и появлению смога во многих городских районах или вблизи них.

Парниковые газы, выделяемые при сжигании ископаемого топлива достигли чрезвычайно высоких уровней. Поскольку парниковые газы способствуют удержанию тепла в атмосфере, которое в противном случае рассеялось бы в космосе, средняя температура на поверхности Земли растет. Глобальное потепление является одним из симптомов изменения климата. Изменение климата включает не только повышение средних температур, но и экстремальные погодные явления, смещение популяций и мест обитания диких животных, повышение уровня моря и ряд других факторов.

Одним из самых значительных парниковых газов является углекислый газ СО₂. Углекислый газ человечество вырабатывает еще с доисторических времен, когда наши первобытные предки, высекая искры из кремня, получали огонь. Выработка тепла за счет сжигания углеродного топлива (начиная от сухой древесины и кончая сжиженным природным газом) – основной способ получения энергии. При окислении углерода образуется его оксид – СО₂, и с этим, к несчастью, ничего нельзя поделать. Поэтому «зеленая энергетика» первым делом предполагает отказ от ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа) – так называемых традиционных источников получения электроэнергии.

Но если не сжигать углерод, то откуда тогда взяться энергии? За счет расширения использования «зеленых» (возобновляемых) источников (возобновляемых источников энергии — ВИЭ). Зеленая энергетика обязана своим названием альтернативным источникам энергии (ее еще называют возобновляемой или регенеративной).

Альтернативная энергетика – это методы, при помощи которых производится энергия более экологичным способом, без сжигания ископаемого топлива, и при этом они должны причинять как можно меньше вреда окружающей среде. Альтернативные источники энергии – это обычные природные явления, практически неисчерпаемые ресурсы, которые создаются естественным образом.

Энергия, выработанная при помощи таких альтернативных источников энергии и называется «зеленой», возобновляемой.

ВИЭ получаются главным образом из огромной энергии, излучаемой Солнцем. Теоретически они также могут исчерпаться: не будет Солнца – не станет этих источников энергии. Но по расчётам ученых, Солнце «проживёт» ещё около 5 миллиардов лет. Таким образом, по человеческим масштабам такие источники энергии можно считать неисчерпаемыми.

В действительности, саму энергию нельзя назвать возобновляемой или регенеративной, ведь она не восстанавливается. Восстанавливаться могут лишь её источники.

В начале XXI века ВИЭ составляли почти 20% мирового потребления энергии, в основном за счет традиционного использования биомассы, такой как древесина для отопления и приготовления пищи. К 2015 году около 16% от общего объема электроэнергии в мире поступало от крупных гидроэлектростанций, тогда как другие виды возобновляемой энергии (такие как солнечная, ветровая и геотермальная) составляли всего 6% от общего объема производства электроэнергии.

С 2011 по 2021 год мировая выработка электроэнергии из возобновляемых источников энергии выросла с 20% до 28%. В то же время выработка электроэнергии из ископаемых источников энергии сократилась с 68% до 62%, а ядерная с 12% до 10%. Доля гидроэнергетики снизилась с 16% до 15%, в то время как доля солнечной энергетики и ветроэнергетики увеличилась с 2% до 10%. Биомасса и геотермальная энергия выросли с 2% до 3%. В 2021 году мировые мощности по производству солнечной энергии составили  849,5 ГВт. В 2021 году почти половина мирового прироста возобновляемой электроэнергии приходилось на долю Китая.

Системы возобновляемой энергии быстро становятся более эффективными и дешевыми, и их доля в общем потреблении энергии увеличивается. Многие страны по всему миру уже используют возобновляемые источники энергии, обеспечивающие более 20% их общего энергоснабжения, а некоторые производят более половины своей электроэнергии из возобновляемых источников энергии.

Рассмотрим более подробно виды «зелёной» энергетики:

1. Гидроэнергетика

На протяжении веков люди использовали энергию речных течений, используя плотины для управления потоком воды. На сегодняшний день гидроэнергетика является крупнейшим в мире источником возобновляемой энергии, а Китай, Бразилия, Канада, США и Россия являются основными производителями гидроэлектроэнергии.

При выработке гидроэлектроэнергии вода собирается или хранится на более высоком уровне и отводится на более низкую высоту по большим трубам или туннелям (водостокам); разница в этих двух высотах известна как напор. В конце своего прохождения по трубам низвергающаяся вода заставляет вращаться лопасти турбины. Турбины, в свою очередь, приводят в действие генераторы, которые преобразуют механическую энергию турбин в электроэнергию. Затем трансформаторы преобразуют вырабатываемое генераторами переменное напряжение в более высокое напряжение для передачи на большие расстояния. Сооружение, в котором размещены турбины и генераторы и в которое подводятся турбинные водоводы, называется электростанцией.

Гидроэлектростанции обычно располагаются в плотинах, которые перекрывают реки, тем самым повышая уровень воды за плотиной и создавая максимально высокий напор. Потенциальная мощность, которую можно получить из объема воды, прямо пропорциональна рабочему напору, поэтому для установки с высоким напором требуется меньший объем воды, чем для установки с низким напором, для выработки такого же количества энергии. В некоторых плотинах электростанция сооружается на одном конце плотины, при этом другая часть плотины используется в качестве водосброса, через который сбрасывается избыточная вода.

В большинстве случаев спрос на электроэнергию значительно варьируется в разное время суток. Не существует экономичных способов хранения большого количества электроэнергии. Таким образом, гидроэлектростанции, спроектированные для почти максимального потребления мощности в дневные часы пик, должны были бы работать с низкой эффективностью в ночное время или в выходные дни.

Чтобы избежать этого, воду можно закачивать во второй, более высокий резервуар в выходные дни или ночью для хранения в виде потенциальной энергии, а затем подавать обратно через турбины, вырабатывающие электроэнергию, в периоды наибольшего спроса. В непиковые периоды часть «избыточной» мощности подается на двигатель, приводящий в действие насос для перекачки воды в более высокий резервуар. Затем, в периоды пикового спроса, вода снова пропускается через турбину для выработки электроэнергии.

Гидроаккумулирование с перекачкой часто становится экономичным по сравнению со стоимостью строительства дополнительных турбин для удовлетворения пиковых потребностей в мощности.

Гидроэлектроэнергия имеет определенные преимущества перед двумя другими основными источниками выработки электричества – ископаем топливом и ядерным топливом. Она постоянно возобновляется из-за повторяющегося характера гидрологического цикла. Она не вызывает теплового загрязнения.

Мировые мощности по производству гидроэлектроэнергии составляют 1,23 ТВт.

Хотя гидроэнергетика теоретически является чистым источником энергии, она не лишена недостатков.

Многие негативные последствия гидроэлектроэнергии для окружающей среды связаны с большими плотинами, которые могут прервать миграцию нерестящихся рыб, таких как лосось, и навсегда вытеснить местную флору и фауну и людей по мере заполнения водохранилищ.  Кроме того, водохранилища гидроэлектростанций уязвимы к недостаче воды. В августе 2021 года плотина Оровилл, одна из самых больших гидроэлектростанций в Калифорнии, США была вынуждена остановиться из-за небывалой засухи в регионе. При этом выбросы углекислого газа за 15-летний период были на 100 мегатонн выше, чем обычно, поскольку из-за засухи выработка гидроэнергии сократилась и, чтобы восполнить потерянные объемы энергии, пришлось дополнительно использовать уголь и газ.

Гидроэнергетика уязвима к накоплению ила, что может снизить вырабатываемую мощность и нанести вред оборудованию. Даже при работе гидроэнергетики на полную мощность есть свои проблемы с выбросами, поскольку из-за разложения органического материала в резервуарах высвобождается метан.

Гидроэлектростанции строятся давно, это самая освоенная технология ВИЭ, но, к сожалению, при всех их достоинствах, построить их можно далеко не везде. Обычно гидроэлектростанции строят в районах с обильными осадками и в холмистых или горных районах, которые находятся в разумной близости от основных центров потребления электроэнергии.

2. Ветроэнергетика

Использование ветра в качестве источника энергии началось более 7000 лет назад. В настоящее время ветряные турбины, генерирующие электроэнергию, распространены по всему миру, а Китай, США и Германия являются ведущими производителями энергии ветра. В период с 2001 по 2021 год общая мощность ветроэнергетики в мире возросла более, чем в 34 раза, увеличившись с 23 900 МВт до 824,9 ГВт.

Некоторым людям не нравится то, как ветрогенераторы выглядят на горизонте и как они шумят, но энергия ветра, оказывается слишком ценным ресурсом, чтобы от нее отказываться. В то время как большая часть энергии ветра поступает от наземных турбин, также появляются и морские проекты, причем большинство из них находится в Великобритании и Германии. Первая в США морская ветряная электростанция открылась в 2016 году в Род-Айленде, рассматриваются и другие шельфовые проекты.

Современные промышленные и коммерческие ветрогенераторы (по-другому — ветроэлектрические установки или сокращенно ВЭУ, ветряки) производят электроэнергию, используя энергию вращения для приведения в действие электрического генератора. Они состоят из лопастей, укрепленных на роторе, и корпуса, называемым гондолой, в котором находится трансмиссия на вершине высокой башни. Самые большие турбины могут вырабатывать 4,8–9,5 мегаватт мощности, имеют размах лопастей более чем 162 метра и смонтированы на башнях высотой около 240 метров.

Наиболее распространены типы ветряных турбин, которые производят до 1,8 мегаватт. Они намного меньше, имеют длину лопасти около 40 метров и смонтированы на башнях высотой порядка 80 метров. Небольшие турбины могут использоваться для обеспечения энергией отдельных домов.

Парк ветротурбин (ветроэнергетическая станция — ВЭС) состоит из нескольких ветряных турбин, сгруппированных вместе, что обеспечивает большую совокупную энергетическую мощность. Например, первый ветропарк Росатома – Адыгейская ВЭС состоит из 60 ветроэнергетических установок мощностью 2,5 МВт каждая, установленная мощность ветропарка – 150 МВт.

По состоянию на 2018 год крупнейшей наземной ветряной электростанцией в мире была ветроэнергетическая станция Цзюцюань, состоящая из более 7000 ветряных турбин в Китае, провинция Ганьсу. Мощность этого ветропарка – около 8 ГВт.

Одна из крупнейших в мире морских действующих ветряных электростанций, London Array, занимает площадь 122 км² в районе устья Темзы и производит до 630 МВт электроэнергии.

Крупнейшая в мире морская ветряная электростанция Hornsea One, запущенная в 2019 году, состоящая из 174 турбин, занимает площадь 407 км² недалеко от побережья Йоркшира в Англии, производит около 1,2 ГВт электроэнергии. Hornsea One – лишь первая фаза более масштабного проекта, который предусматривает строительство ещё нескольких гигантских шельфовых ветряных электростанций. В 2022 году была запущена в строй ВЭС Hornsea Two, состоящая из 165 турбин, и общей мощностью около 1,4 ГВт. Примерно в 2025 году в той же районе начнёт работу и электростанция Hornsea Three, в состав которой войдут более 300 ветряных турбин общей мощностью около 2,4 ГВт. Для сравнения, средняя мощность типичной новой угольной электростанции составляет около 550 МВт.

К 2018 году на долю ветра приходилось примерно 5% всего мирового производства электроэнергии. Производство электроэнергии с помощью ветра резко возросло из-за опасений по поводу стоимости нефти и последствий сжигания ископаемого топлива для климата и окружающей среды. Например, с 2007 по 2016 год общая выработанная мощность ветроэнергетики по всему миру увеличилась в пять раз — с 95 ГВт до 487 ГВт. В 2016 году Китай и Соединенные Штаты выработали наибольшее количество электроэнергии ветра (168,7 ГВт и 82,1 ГВт соответственно), и в том же году Дания произвела наибольшую долю своей электроэнергии за счет ветра (почти 38%).

По оценкам специалистов, к 2030 году мир сможет вырабатывать почти 20% всей электроэнергии за счет энергии ветра. По разным оценкам, стоимость энергии ветра составляет всего 2–6 центов за киловатт-час, в зависимости от местоположения. Это сопоставимо со стоимостью угля, природного газа и других видов ископаемой энергии, которая колеблется от 5 до 17 центов за киловатт-час.

Проблемы, связанные с широкомасштабным внедрением энергии ветра, включают в себя требования к местоположению, такие как доступность ветра, эстетические и экологические проблемы, а также наличие свободной земли.

Строительство ветряных электростанций наиболее рентабельно в районах с постоянными сильными ветрами; однако эти районы далеко не всегда расположены около крупных населенных пунктов. Линии электропередач и другие компоненты систем распределения электроэнергии должны быть способны передавать эту электроэнергию конечным потребителям. Надо учитывать и тот факт, что поскольку сила ветра всегда непостоянна, может потребоваться накопление энергии.

Общественные правозащитные организации выразили обеспокоенность по поводу потенциальных нарушений, которые ветряные электростанции способны нанести дикой природе и ладшафту. Хотя есть факты нанесения ветряными генераторами увечий птицам, ученые доказали, что современные турбины оказывают несущественное влияние на популяцию птиц. Национальное общество имени Одюбона, крупная экологическая организация, базирующаяся в США и занимающаяся сохранением птиц и других диких животных, решительно выступает за использование энергии ветра при условии, что ветряные электростанции будут расположены надлежащим образом, чтобы свести к минимуму воздействие на мигрирующие популяции птиц и важные места обитания диких животных.

3. Солнечная энергия

Общее количество солнечной энергии, поступающей на Землю, значительно превышает мировые потребности в энергии. При надлежащем использовании этот источник может удовлетворить и все будущие энергетические потребности.

Ожидается, что в XXI веке солнечная энергия будет становиться все более привлекательной в качестве возобновляемого источника энергии благодаря своим неисчерпаемым запасам и экологически чистому характеру, в отличие от ископаемого топлива, угля и нефти, которые имеют предел. Мировые мощности по производству солнечной электроэнергии в 2021 году составили 849,5 ГВт.

Хотя Солнце является чрезвычайно мощным источником энергии, а солнечный свет, безусловно, является крупнейшим источником энергии, получаемой Землей, интенсивность его на земной поверхности на самом деле довольно низкая.

В основном это происходит из-за того, что излучение Солнца распространяется во всех направлениях в космос и только незначительная его часть достигает Земли. Дополнительные потери происходят из-за атмосферы Земли и облаков, которые поглощают или рассеивают до 54% достигающего Земли солнечного света. Это излучение состоит из почти 50% видимого света, 45% инфракрасного излучения и меньшего количества ультрафиолетового и других форм электромагнитного излучения.

Хотя солнечная энергия сама по себе бесплатна, к сожалению, высокая стоимость ее получения, преобразования и хранения по-прежнему все еще ограничивает во многих местах ее использование. Солнечное излучение может быть преобразовано либо в тепловую энергию (тепло), либо в электрическую энергию.

Тепловая энергия

Среди наиболее распространенных устройств, используемых для улавливания солнечной энергии и преобразования ее в тепловую энергию, следует отметить плоские коллекторы, используемые для солнечного отопления. Так как интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли слишком мала, эти коллекторы должны быть достаточно большими по площади. Например, даже в солнечных регионах умеренных климатических поясов мира площадь коллектора должна составлять около 40 м², чтобы собрать достаточно энергии для удовлетворения энергетических потребностей только лишь одного человека.

Наиболее часто встречающиеся плоские коллекторы состоят из черненой металлической пластины, покрытой одним или двумя листами стекла, которая нагревается падающими на неё солнечными лучами.

Затем это тепло передается, например, воде, называемой жидкостью-носителем, которая обтекает заднюю часть пластины. Тепло может использоваться непосредственно или может быть передано на другой носитель тепла для хранения. Плоские коллекторы обычно применяются в солнечных водонагревателях и для отопления домов. Накопление тепла для использования ночью или в пасмурные дни обычно достигается за счет использования изолированных накопительных баков для хранения воды, нагретой в солнечные периоды. Такая система может снабжать дом горячей водой, поступающей из накопительного бака, или, когда подогретая вода течет по трубам в полах и потолках, она может обеспечить обогрев помещений.

Плоские коллекторы как правило нагревают жидкости-носители до температуры от 66 до 93 °C. КПД таких коллекторов (т. е. доля полученной энергии, превращенной ими в полезную энергию) колеблется от 20 до 80% в зависимости от конструкции коллектора.

Другой метод преобразования тепловой энергии применяется в солнечных прудах, представляющие собой водоемы с соленой водой, которые предназначены для сбора и хранения солнечной энергии. Извлекаемое из таких прудов тепло позволяет производить различные химикаты, продукты питания, текстильные изделия и другие промышленные товары, а также может использоваться для обогрева теплиц, бассейнов и животноводческих помещений.

Солнечные пруды иногда используются для производства электроэнергии с помощью теплосиловой установки с циклом Ренкина, относительно эффективного и экономичного средства преобразования солнечной энергии, которое особенно полезно в отдаленных местах. Солнечные пруды достаточно дороги в монтаже и обслуживании и, как правило, их распространение ограничивается теплыми сельскими районами. В меньших масштабах энергию Солнца также можно использовать для приготовления пищи в специально сконструированных солнечных печах. Солнечные печи обычно концентрируют солнечный свет с большой площади в центральной точке, где находится сосуд с черной поверхностью.

Производство электроэнергии

Солнечное излучение может быть преобразовано в электричество при помощи фотоэлектрических элементов. В таких элементах, при попадании света на соединение между металлом и полупроводником (например, кремнием) или на соединение между двумя разными полупроводниками, генерируется небольшое электрическое напряжение. Мощность, которая вырабатывается одним фотоэлектрическим элементом, обычно не превышает два ватта. Однако, соединив большое количество отдельных элементов вместе, как в больших массивах солнечных панелей в солнечной электростанции, или в большом домашнем массиве, можно получить сотни или даже тысячи киловатт электроэнергии. Энергетическая эффективность большинства современных фотоэлектрических элементов (КПД эффективности использования электроэнергии) составляет всего около 15-20%, и, поскольку интенсивность солнечного излучения изначально низкая, для выработки даже умеренного количества энергии требуются большие и дорогостоящие сборки из таких элементов.

Небольшие фотоэлектрические элементы, работающие от солнечного или искусственного света, нашли широкое применение в устройствах с низким энергопотреблением — в качестве источников питания для калькуляторов и часов. Более крупные блоки используются для обеспечения энергией водяных насосов и систем связи в отдаленных районах, а также для метеоспутников и спутников связи. Типичные панели из кристаллического кремния могут быть установлены домовладельцами и предприятиями на крышах домов для замены или дополнения традиционного электроснабжения.

Концентраторные солнечные электростанции используют концентрирующие или фокусирующие коллекторы для концентрации солнечного света, полученного с большой площади, на небольшой зачерненный приемник, тем самым существенно увеличивая интенсивность света для получения высоких температур. Массивы тщательно отполированных зеркал или линз могут фокусировать достаточно солнечного света, чтобы нагреть объект до температуры 2000 °C или выше. Затем это тепло можно использовать для работы котла, который, в свою очередь, вырабатывает пар для паротурбинной электростанции. Для непосредственного производства пара подвижные зеркала могут располагаться таким образом, чтобы большое количество солнечного излучения концентрировалось на покрашенных в черный цвет трубах, по которым циркулирует, нагреваясь, вода.

Другие области применения

Солнечная энергия также используется в небольших масштабах для других целей. В некоторых странах, например, солнечная энергия используется для получения соли из морской воды путем её выпаривания. Аналогичным образом получают и пресную воду в опреснительных установках на солнечных батареях.

Солнечная энергия меняет энергетические рынки по всему миру. Ежегодный прирост энергетики в мире за последние пять лет составлял в среднем около 50%. Полученная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20—25% потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы СО₂. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства, солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20—25% всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно.

4. Биоэнергетика

Биотопливо — любое топливо, получаемое из биомассы, то есть растительного сырья или отходов животного происхождения. Поскольку такое исходное сырье может быть легко восполнено, биотопливо считается источником возобновляемой энергии, в отличие от ископаемых видов топлива, таких как нефть, уголь и природный газ. Жидкое, твердое и газообразное биотопливо может заменить не только традиционные источники электроэнергии, но и бензин.

Самым простым твердым биотопливом является древесина, а точнее, отходы деревообрабатывающей промышленности — щепа и стружка. Спрессованные в брикеты (пеллеты), они прекрасно горят, а нагретая с их помощью вода позволяет вырабатывать электричество и тепло, пусть и в небольших масштабах.

Жидкое биотопливо представляет особый интерес из-за уже имеющейся обширной инфраструктуры для его использования, особенно на транспорте.

Наиболее производимым жидким биотопливом является этанол (этиловый спирт), который получают путем ферментации крахмала или сахара.

Одними из ведущих производителей этанола являются Бразилия и Соединенные Штаты.

В Соединенных Штатах биотопливо на этиловом спирте производится в основном из кукурузы, и его обычно смешивают с бензином для получения “газохола”, топлива, состоящего на 10% из этилового спирта и 90% бензина. В Бразилии биотопливо на этиловом спирте производится в основном из сахарного тростника, и он обычно используется в качестве топлива на 100% этаноле или в бензиновых смесях, содержащих 85% этилового спирта.

Растительное сырьё разделяют на поколения.

Сырьём «первого поколения» являются сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Почти всё современное биотопливо для транспорта производится из сырья первого поколения.

В отличие от этанолового биотоплива «первого поколения», получаемого из пищевых культур, целлюлозный этиловый спирт «второго поколения» получают из малоценной биомассы с высоким содержанием целлюлозы, включая древесную щепу, растительные остатки и муниципальные отходы. Обычно его получают из жома сахарного тростника, отходов переработки сахара, или из различных трав, которые можно выращивать на земле лишь незначительно подходящей для производства продуктов питания. Поэтому целлюлозный этиловый спирт оказывает меньшее влияние на пищевые цепочки, чем биотопливо первого поколения.

Одна из многих проблем, связанных с производством целлюлозного этилового спирта, заключается в том, для производства целлюлозного этанола требуется много земельных ресурсов и гораздо больше сырья, чем при производстве того же объема этанола первого поколения. Отдача с единицы площади относительно невысокая. Целлюлозный этиловый спирт в основном используется в качестве добавки к бензину.

Вторым по популярности  жидким биотопливом является биодизель, который производится в основном из маслянистых растений (таких как соя или масличная пальма) и в меньшей степени из других источников масла (например, таких как отработанное растительное масло из ресторанов). Биодизель, получивший наибольшее признание в Европе, используется в дизельных двигателях и обычно смешивается в различных процентных соотношениях с дизельным топливом, получаемым из нефти.

В качестве источника биодизельного топлива “третьего поколения” можно использовать водоросли и цианобактерии (сине-зелёные водоросли), что является довольно многообещающим. Этот вариант имеет безграничные перспективы: выращивать водоросли в искусственных условиях не так уж и сложно.

Другие виды биотоплива включают газ метан и биогаз, которые получают в результате разложения биомассы в отсутствие кислорода, а также метанол (метиловый спирт — CH₃OH), бутанол (бутиловый спирт — C₄H₉OH) и диметиловый эфир (метоксиметан – CH₃OCH₃), которые находятся в стадии разработки.

Экономические и экологические соображения

Оценивая экономические преимущества биотоплива, необходимо учитывать энергию, затраченную для его производства. Например, в процессе выращивания кукурузы для производства этанола ископаемое топливо используется для работы сельскохозяйственного оборудования, производства удобрений, транспортировки кукурузы и получения этилового спирта. В этом отношении этанол, изготовленный из кукурузы, дает относительно небольшой выигрыш в энергии; энергетический выигрыш от использования сахарного тростника больше, а от целлюлозного этанола или биодизеля из водорослей может быть еще больше.

Хотя биотопливо и обеспечивает экологические преимущества, но, в зависимости от способа его производства, может также иметь серьезные экологические недостатки. Как возобновляемый источник энергии, биотопливо на основе растений в принципе вносит небольшой вклад в глобальное потепление и изменение климата, на практике же промышленное производство сельскохозяйственного биотоплива может привести к дополнительным выбросам парниковых газов, которые способны свести на нет преимущества использования возобновляемого топлива. Эти выбросы включают углекислый газ, образующийся при сжигании ископаемого топлива в процессе производства, и закись азота (N₂O) из почвы, обработанной азотными удобрениями. В этом отношении целлюлозная биомасса считается более полезной.

Многие критики выражают обеспокоенность по поводу масштабов расширения производства некоторых видов биотоплива из-за экономических и экологических издержек, связанных с процессом переработки и потенциальным изъятием огромных площадей пахотных земель, задействованных в  производстве продуктов питания.

Использование традиционного сырья в качестве основного компонента биотоплива первого поколения вызвало дискуссию “еда против топлива”, которая поставила под сомнение ценность биотоплива первого поколения как экологически чистой альтернативы нефти. Утверждалось, что при изъятии пахотных земель и сырья из пищевой цепи человека производство биотоплива окажет прямое влияние на цены на продукты питания для потребителей.

Критики биотоплива утверждали, что по мере увеличения спроса на сырье, фермеры будут продавать свой урожай тем, кто больше заплатит — производителям биотоплива вместо своих традиционных покупателей и, таким образом, может возникнуть нехватка продовольствия и быстрый рост цен. Хотя с момента внедрения биотоплива первого поколения действительно наблюдался всеобщий рост цен на продовольствие и его нехватка, особенно в 2007 и 2008 годах, сторонники биотоплива утверждают, что это могло быть связано с ростом цен на нефть, а не с производством биотоплива.

Целлюлозный этанол появился в 2006 году в качестве альтернативы этанолу первого поколения, поскольку для его производства можно использовать отходы и непищевые растения, выращенные на земле, плохо подходящей для выращивания пищевых сельскохозяйственных культур.

Энергетические культуры, выращиваемые для производства биотоплива, могут конкурировать за естественные места обитания в мире. Например, если выращивать дополнительное количество кукурузы для биотоплива, это может привести к замене лугов и кустарников монокультурами кукурузы, а выращивание растений для производства биодизельного топлива может привести к вырубке древних тропических лесов, при освобождении места под плантации масличных пальм. Потеря естественного природного ландшафта может усилить эрозию почв и в целом сократить биоразнообразие районов дикой природы.

Расчистка территорий также может привести к внезапному выделению большого количества углекислого газа, поскольку при такой расчистке растительный материал или сжигается, или остается разлагаться на земле. Правильный способ выращивания биотоплива для одновременного удовлетворения всех потребностей будет оставаться предметом многочисленных экспериментов и дебатов, но быстрый рост производства биотоплива, скорее всего, продолжится.

Читать: Биоэнергетика как альтернативный источник энергии

5. Геотермальная энергия

Геотермальная энергия — это энергия, производимая путем преобразования геотермального пара или воды в электричество, которое затем используется потребителями. Поскольку этот источник электроэнергии не зависит от таких невозобновляемых ресурсов, как уголь или нефть, он может обеспечить более устойчивый источник энергии в будущем.

Геотермальная энергия горячих источников уже давно используется человечеством для приготовления пищи, купания и согревания. Есть свидетельства того, что коренные американцы использовали геотермальную энергию для приготовления пищи еще 10 000 лет назад. В древние времена греки и римляне использовали ванны, подогреваемые горячими источниками, а примеры геотермального обогрева помещений датируются, по крайней мере, I веком нашей эры в римском городе Помпеи. Такое использование геотермальной энергии первоначально было ограничено местами, где были доступны горячая вода и пар.

Несмотря на некоторые негативные последствия, процесс использования геотермальной энергии является возобновляемым и приносит меньший вред окружающей среде, чем другие традиционные источники энергии.

Геотермальная энергия исходит из тепла ядра Земли и может быть использована для выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях или для обогрева домов и обеспечения горячей водой с помощью геотермального отопления. Источником энергии выступают либо парогидротермы (месторождения самоизливающейся паровоздушной смеси или пара), либо гидротермы (месторождения самоизливающейся горячей воды), которые используются для получения как электрической энергии (при температуре пара или паровоздушной смеси более 150 °C), так и тепловой (при температуре 30—150 °C).

В отличие от других тепловых электростанций, геотермальные электростанции не имеют котельной, золоуловителей и многих других устройств; на практике геотермальная электростанция состоит только из машинного отделения и помещения для электротехнических устройств.

Температура Земли с глубиной увеличивается в среднем на 1 °С через каждые 33-36 м. На глубине 3 км вода закипает, а на 11 км температура достигает 330 °С. Температура же ядра Земли составляет порядка 6000 °C.

По оценкам ученых, тепло, находящееся в пределах первых 10 км от поверхности Земли, содержит в 50 000 раз больше энергии, чем все мировые запасы нефти и природного газа.

Общемировой потенциал геотермальной энергетики по разным оценкам, составляет от 35 ГВт до 2 ТВт. Однако для производства электроэнергии в мире используется лишь около 7% известных запасов геотермальной энергии, и суммарная мощность этих установок равна примерно 16 ГВт (по данным международного энергетического агентства — IEA, за 2021 г.).

Горячая пароводяная смесь может находиться в естественных геотермальных резервуарах — участках земной коры, из которых можно извлекать энергию и использовать ее для производства электроэнергии. Эти резервуары залегают на разных глубинах по всей земной коре, могут состоять из пара или жидкости, и образуются там, где магма проходит достаточно близко к поверхности, чтобы нагревать грунтовые воды, расположенные в трещинах или пористых породах. К резервуарам, которые находятся в пределах 1,5-3 км от поверхности Земли, можно получить доступ с помощью бурения. Чтобы использовать их, инженеры и геологи должны сначала определить их местонахождение, часто путем бурения пробных скважин.

Нагретая жидкость из геотермального источника извлекается путем бурения скважин, иногда глубиной до 9100 метров, и извлекается насосом или под действием естественного давления. Затем вода и пар подаются по трубопроводу на электростанцию для выработки электроэнергии или по утепленным трубопроводам для использования в системах отопления. В целом, длина трубопроводов электростанций ограничена примерно 1,6 км, чтобы минимизировать потери тепла.

В целом, процесс получения электроэнергии из геотермальных источников на геотермальных электростанциях происходит следующим образом:

Горячая вода подается на поверхность под высоким давлением до тех пор, пока давление не падает и вода превращается в пар. Этот пар вращает турбину. Вращение паровой турбины создает механическую энергию, которая в конечном итоге преобразовывается в полезную электроэнергию. Ротор паровой турбины подключен к валу геотермального генератора. Геотермальный генератор преобразует кинетическую или механическую энергию турбины в электрическую энергию.

Когда пар, используемый для производства гидротермальной энергии, охлаждается, он конденсируется обратно в воду. Для повышения эффективности и устойчивости производства геотермальной энергии избыток воды очищается, а затем закачивается обратно в подземный резервуар путем закачки в глубокую скважину.

Плюсы и минусы геотермальной энергии

Как и в случае с большинством видов альтернативной энергетики, у геотермальной энергии есть как плюсы, так и минусы, которые необходимо признать.

Некоторые преимущества геотермальной энергии:

Более чистая и экологичная. Геотермальная энергия не только более чистая, но и является возобновляемой, в отличие от традиционных источников энергии, таких как уголь и нефть. Это означает, что электричество может вырабатываться из геотермальных резервуаров дольше и с меньшим воздействием на окружающую среду.

Небольшая площадь. Для использования геотермальной энергии требуется лишь небольшой участок земли, что упрощает поиск подходящих мест для геотермальных установок.

Объем производства постоянно увеличивается. Продолжение внедрения инноваций в отрасль приведет к увеличению производства в течение следующих 25 лет. Фактически, производство, вероятно, должно увеличиться до 52 млрд кВт/ч в 2050 году.

К недостаткам относятся:

Высокие первоначальные инвестиции. Геотермальные электростанции требуют больших первоначальных инвестиций — около 2500 долларов за 1кВт по сравнению с примерно 1600 долларами за 1кВт для ветряных турбин. Первоначальная же стоимость новой угольной электростанции может достигать 3500 долларов за 1кВт.

Может привести к повышенной сейсмической активности. Геотермальное бурение вызывает повышенную сейсмическую активность, особенно когда для увеличения производства энергии используются усовершенствованные геотермальные системы.

Приводит к загрязнению воздуха. Из-за агрессивных химических веществ, часто встречающихся в геотермальной воде и паре, таких как сероводород, процесс производства геотермальной энергии может привести к загрязнению воздуха.

Скважины недолговечны. Скважины геотермальных электростанций имеют свойство быстро выбывать из эксплуатации. Трещины, через которые поступает пар в скважину имеют свойство постепенно забиваться, поступление пара снижается. А если источником тепла служит небольшой объём остатков магматической породы, однажды всплывший из глубин, то возможно и локальное охлаждение этого участка со скважиной. Поэтому, на большинстве геотермальных станций скважины для добычи пара приходится регулярно бурить снова. 

6. Энергия приливов и отливов

Использование энергии океана для выработки электроэнергии является заманчивой идеей: приливная энергия не только является полностью возобновляемым источником энергии, но и достаточно предсказуема; она не имеет перерывов, таких, как у как ветра, или солнечной энергии.

Хотя энергия приливов сегодня составляет незначительную долю мировой энергии, существует большой потенциал для ее использования, поскольку в водных потоках содержится огромное количество энергии. Общая энергия, содержащаяся в приливах во всем мире, составляет 3 ТВт, хотя оценки того, сколько этой энергии доступно для выработки электроэнергии приливными электростанциями, составляют от 120 до 400 ГВт, в зависимости от местоположения и конструкции станции. Хотя общее мировое потребление электроэнергии в 2016 году приблизилось к 21 петаватт-часов (21× 10¹⁵), эксперты в области энергетики предполагают, что в будущем системы приливной энергетики могут обеспечить большую часть этой потребности.

Приливная энергия — возобновляемая энергия, генерируемая естественными движениями океанских приливов и течений. Кинетическая энергия от естественного подъема и падения уровня моря во время приливов и отливов используется и преобразуется в электричество. Приливы вызваны объединенными гравитационными силами Луны, Солнца и Земли. Приливы и отливы создают приливные течения, которые необходимы для генерации этого вида энергии, в основном распространенного в прибрежных районах.

Приливные электростанции чаще всего устанавливаются вдоль береговых линий, хотя морские электростанции становятся все более популярными. Размещение электростанций на береговых линиях предпочтительнее, потому что они получают 2 прилива и 2 отлива каждый день. Для выработки электроэнергии разница в уровнях воды должна составлять не менее 5 метров.

Приливная энергия преобразуется в электричество с использованием следующих основных приливных технологий:

1. Генераторы приливных потоков

Генераторы приливных потоков используют кинетическую энергию постоянно движущейся воды для вращения турбин. Этот тип технологии похож на технологию, используемую для питания ветряных турбин. Разница лишь в том, что лопасти приливных турбин намного прочнее и короче. Таким образом, объяснить, что такое приливные турбины, можно так — это подводные ветряные мельницы. В идеале, потоки воды вращают лопасти турбины. Турбина подключается к генератору через вал. И когда турбина поворачивается, вращается и вал. Вращающийся вал приводит в действие генератор, который вырабатывает электроэнергию.

Вода примерно в 800 раз плотнее воздуха, и поэтому даже медленно движущиеся потоки воды в приливах и отливах могут оказывать гораздо большее воздействие на турбину, чем это происходит у ветра. Поэтому приливная турбина может иметь лопасти ротора гораздо меньшего диаметра, чем ветряная турбина с такой же выходной мощностью, что снижает затраты на производство и транспортировку.

Первоначальная стоимость установки этой системы приливных потоков довольно высока, не говоря уже о сложности в обслуживании. Тем не менее, это самый дешевый метод по сравнению с другими приливными технологиями.

2. Приливные заграждения

Приливные заграждения являются наиболее эффективными технологиями получения приливной энергии. Заграждения используют потенциальную энергию от разницы в уровне воды во время приливов и отливов. Они напоминают плотины, используемые на гидроэлектростанциях. Разница в том, что они намного больше, так как они построены поперек залива или устья реки, доступного для приливов.

Во время прилива океанская или морская вода направляется в большой бассейн за плотиной. Когда приливы достигают своего максимума, ворота системы закрываются, задерживая воду в устье или бассейне. Во время отлива образуется перепад уровня воды и она, вытекая, попадает на лопасти турбины, вращая их. В конечном итоге генерируется электричество.

Строительство приливных заграждений сопряжено с высокими первоначальными капитальными затратами, плюс они оказывают разрушительное воздействие на местную окружающую среду.

3. Приливные лагуны

Приливные лагуны представляют собой более продвинутый вариант конструкции для захвата приливной энергии. Этот вариант похож на метод приливного заграждения с использованием приливов для выработки электроэнергии. Фактически, единственное реальное различие между ними заключается в том, что приливная лагуна не перекрывает весь залив или устье реки, а использует только их часть. Принцип действия относительно прост. Большое закрытое сооружение строится в устье реки или в любом месте, где достаточны приливные силы. Когда наступает прилив, лагуна заполняется. Во время отлива вода из лагуны выходит через турбину для выработки электроэнергии. Таким образом, приливная лагуна — это, по сути, просто заграждение, которое создает круглый бассейн на большей площади устья, а не перекрывает всю территорию плотиной, как это делает стандартное заграждение.

Основным преимуществом приливной лагуны является то, что она оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем приливные заграждения, поскольку они не блокируют весь поток воды в данную область и из нее. Недостатки приливной лагуны связаны с затратами и обслуживанием. Строительство такого объекта требует, как правило, более длинной плотины (потому что она круглая). Кроме того, затраты на техническое обслуживание выше, поскольку система подвергается воздействию соленой воды и океана со всех сторон. Производство энергии в приливных лагунах также ниже, потому что они не хранят столько воды.

Экологические проблемы, возникающие в связи с приливными электростанциями, в основном связаны с системами приливных заграждений, которые могут нарушать экосистемы эстуариев во время их строительства и эксплуатации. Ожидается, что приливные ограждения и турбины окажут минимальное воздействие на экосистемы океана. Однако эти заграждения могут нанести вред и даже убить мигрирующих рыб, и поэтому эти сооружения должны быть спроектированы таким образом, чтобы свести к минимуму такие последствия.

7. Энергия волн

Часто путают энергию волн с приливной энергией. Но это две разные формы энергии.

Энергия океанских волн — это электрическая энергия, вырабатываемая путем использования поперечных и продольных колебаний морских волн. Волны же образуются под действием сильных ветров, дующих над поверхностью океана. Таким образом, энергия ветра передается этим волнам. И чем сильнее ветры, тем выше энергия, передаваемая волнам.

Сильные ветры в океане наблюдаются в разных частях мира. Поэтому там имеется высокий потенциал для энергии волн.

Мощность волнения оценивают в киловаттах на погонный метр, то есть в кВт/м. По сравнению с энергией ветра и солнечной энергией, энергия волн обладает гораздо большей удельной мощностью. Так, средняя мощность волнения морей и океанов, обычно превышает 15 кВт/м, а при высоте волн в 2 метра мощность достигает 80 кВт/м. Если учесть, что 70% земной поверхности покрыто водой, то при овладении волновой энергией поверхности океанов просто не может быть нехватки энергии.

По данным Всемирного энергетического совета, средние мировые волновые энергетические ресурсы составляют от 2 до 3 ТВт.

Хотя изменчивость уровней мощности волн велика, волны способны генерировать энергию до 90 процентов времени, намного превосходя устройства с ветровой или солнечной энергией.

Энергию волн в электричество преобразуют специальные преобразователи энергии волн. Хотя попытки использовать этот ресурс датируются по крайней мере 1890 годом, энергия волн в настоящее время широко не используется. Выработанная электрическая энергия за счет энергии волн во всем мире в 2020 году, составила приблизительно 16 МВт, что примерно на 5 порядков меньше, чем средние мировые волновые энергетические ресурсы. Важной причиной являются производственные затраты на выработку одного кВт/ч, которые в 2020 году были примерно в 10 раз выше по сравнению с морскими ветряными электростанциями.

В зависимости от расстояния между устройством преобразования энергии и береговой линией, волновые энергетические устройства могут быть классифицированы как устройства береговой линии, прибрежные устройства и морские устройства.

Устройства береговой линии — это устройства для получения энергии волн, которые размещены на береговой линии, т.е. они частично находятся в воде, частично на суше.

Прибрежные устройства размещены на дне на мелководье (на глубине до 20 м).

Морские устройства находятся дальше всего в море, могут располагаться как на морском дне, между поверхностью моря и дном или в виде массивных конструкций, собранных на морских судах или платформах.

За последние три десятилетия было изобретено множество инновационных методов преобразования энергии волн, в результате чего за последние годы были получены тысячи патентов. На сегодняшний день существует целый ряд конструкций, использующих различные методы получения электрической энергии из кинетической энергии волн. Хотя многие рабочие конструкции были разработаны и протестированы с помощью моделирования и натурных испытаний, только несколько концепций прошли морские испытания. Среди них можно выделить основные:

1. Точечные поплавковые или буйковые системы (поплавковые волновые электростанции) — это преобразователи энергии волн типа буев, которые собирают поступающую энергию волн со всех направлений. Они размещаются в открытом море на поверхности океана или чуть ниже поверхности. Вертикально погруженный поплавок поглощает энергию волн, которая преобразуется в электроэнергию с помощью или линейных генераторов, или генераторов, приводимых в действие механическими линейно-вращательными преобразователями, или гидравлическими насосами.

Наглядное представление принципа действия линейного генератора

2. Колеблющийся водяной столб. Устройства с колеблющимся водяным столбом могут быть расположены как на берегу, так и в открытом море. Вода поступает в камеру, где сжимает воздух, приводя в действие воздушную турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие электрический генератор.

Волны заставляют воду внутри камеры колебаться в вертикальном направлении. Колонна воды действует как поршень, двигаясь вверх и вниз, она выталкивает воздух из камеры и возвращает его обратно. Это непрерывное движение создает двунаправленный высокоскоростной поток воздуха, который направляется в систему отбора мощности, преобразующую кинетическую энергию потока воздуха в электрическую энергию. В устройствах, преобразующих воздушный поток в электричество, система отбора мощности состоит из двунаправленной турбины. Таким образом, турбина всегда вращается в одном и том же направлении, независимо от направления воздушного потока, что позволяет непрерывно генерировать энергию.

Любопытно, что самое раннее использование колеблющихся водяных столбов было в свистящих буях. Эти буи использовали давление воздуха, создаваемое в камере, для выработки звуковых сигналов. Вместо выработки электроэнергии генерировался особый звуковой сигнал, позволяющий бую предупреждать корабли об опасности. 

3. Волновые аттенюаторы, также известные как «линейные поглотители», представляют собой длинные горизонтальные полупогруженные устройства, которые ориентированы параллельно направлению волн. Одна из конструкций такого волнового аттенюатора состоит из ряда цилиндрических полузатопленных секций-поплавков, связанных между собой шарнирными соединениями, которые позволяют этим отдельным секциям изгибаться относительно друг друга.

Колебания волн приводят к изгибу такой змееподобной конструкции. Гидравлические поршни, расположенные в местах соединений, приходят в движение, заставляя перекачивать масло высокого давления через двигатели.  Двигатели приводят во вращение электрогенераторы, производящие электричество. Несколько подобных «змей» объединяют между собой в одну систему, а электричество от нее передают по одному кабелю. Мощность одной такой системы достигает 21 МВт.

4. Переливные устройства — это устройства, которые работают примерно так же, как плотина гидроэлектростанции. Они представляют собой либо установленные на берегу, либо плавающие в море длинные конструкции, которые используют скорость волны для заполнения резервуара до уровня, превышающего уровень воды в окружающем океане. Морские волны поднимаются вверх по наклонной плоскости, заполняя резервуар, расположенный на высоте от 2 до 3 метров над уровнем моря. Потенциальная энергия воды, захваченной внутри резервуара, затем извлекается путем возвращения воды обратно в море через турбинный генератор для производства электроэнергии.

«Волновой дракон» (Wave Dragon), является наиболее известным примером морского волнового преобразователя энергии переливного типа, плавучая гидроэлектрическая плотина, представляющая собой современную технологию в области волновых преобразователей энергии. Сердцем установки является большой плавающий резервуар. Два плавающих крыла-отражателя концентрируют набегающие волны, и направляют их вверх по изогнутому скату в резервуар. Вода возвращается обратно в море через батарею низконапорных турбин, расположенных внутри водохранилища.

По расчетам, конструкция с оптимальным размером 260 х 150 м может производить до 4 МВт электричества. Ожидалось, что в районах с большими волнами с энергией выше 33 кВт/м эта технология в ближайшем будущем будет конкурировать по затратам с морской ветроэнергетикой. Предполагалось, что цена на электроэнергию в конечном итоге может соответствовать затратам на производство ископаемого топлива. Однако в технико-экономическом обосновании развертывания Wave Dragon на северном побережье Испании, опубликованном в 2020 году, сообщалось о затратах, которые все еще были в 10 раз выше.

Как и другие формы гидроэнергетики, энергия волн не требует сжигания ископаемого топлива, вызывающее загрязнение воздуха, и способствуя кислотным дождям и глобальному потеплению. Энергия полностью чистая и возобновляемая.

Однако, как и многие другие формы энергии, энергия океанских волн также имеет свои недостатки, среди которых на первое место, конечно, на данный момент необходимо поставить высокую стоимость автономных систем преобразования энергии волн, которая является основным препятствием для их широкомасштабного применения. Требуется очень прочная конструкция из высококачественных материалов, которая оставалась бы неповрежденной при сильных штормах и выдерживала бы сложные условия на море, приводящие к коррозии, загрязнению и усталости материалов. Регулярное техническое обслуживание и постоянная перекраска, ремонт требует много времени и материальных затрат из-за трудного доступа к морским установкам, особенно в суровых условиях. Стоимость ремонта является основной составляющей затрат на автономные системы преобразования энергии волн.

Мощность, вырабатываемая океанскими волнами, сильно колеблется из-за нерегулярного волнового климата. Кроме того, точки подключения к электросети могут быть недоступны в районах, где условия для выработки энергии волн наиболее благоприятны.

Волновые энергетические устройства также негативно влияют на окружающую среду. Хотя это чистый источник энергии для наземной среды, он представляет угрозу для водной среды. Большое оборудование, установленное в океане, может вызвать массовое нарушение морского дна. Морская жизнь также может столкнуться с дискомфортом из-за шумового загрязнения или изменения мест обитания организмов, которые живут вблизи береговой линии.

В дополнение к этому, существует возможность попадания токсичных химических веществ с платформ. Это вызовет серьезные последствия загрязнения воды, которые будут опасными для морской экосистемы.

Волновые энергетические платформы, установленные в воде, могут испортить естественный и красивый вид на океан. Морские волновые энергетические системы могут представлять угрозу для судоходства.

Читать также: Энергия волн океана

8. Энергия температурного градиента морской воды

Океаны и моря, особенно тропические, накапливают значительное количество солнечной энергии. Преобразование тепловой энергии океана (Ocean Thermal Energy Conversion — OTEC) — это метод, с помощью которого эта энергия улавливается. Преобразование этой энергии осуществляется при помощи гидротермальных станций, использующих разницу температур между поверхностными водами океана и водами на глубине примерно 1000 метров.

Эта технология имеет две характерных черты: с одной стороны ее эффективность относительно низкая, в то время как, с другой стороны, ее источник энергии практически неограничен. По оценкам, преобразование тепловой энергии океана имеет значительно более высокий ресурсный потенциал, чем другие виды энергии океана. Преобразование тепловой энергии океана может создавать до 88 000 ТВтч/год энергии без изменения тепловой структуры океана.

Температура морской воды и циклы OTEC

Температура тропических морей напрямую зависит от глубины; разница между поверхностью и глубиной 1000 м составляет приблизительно 20°C. Это различие может быть использовано для строительства электростанции OTEC. Такие регионы существуют в основном в экваториальных широтах, причем более значительные перепады температур наблюдаются в западной части Тихого океана. Регионы к востоку и западу от Центральной Америки и некоторые отдаленные районы за пределами США также являются подходящими.

Разница температур в значительной степени определяет эффективность цикла. Чем значительнее разница температур, тем выше эффективность. В разных районах мира вода имеет разную температуру, в зависимости от глубины, особенно в тропиках, где можно выделить три термальных слоя:

• Поверхностный: глубина от 100 до 200 м, которая действует как коллектор тепла, с температурой в диапазоне от 25 до 30 °C.

• Промежуточный: глубина от 200 до 400 м, с быстрым изменением температуры и выполняющий роль теплового барьера между верхним и нижним слоями.

• Глубиннный: температура плавно снижается, достигая 4 °C на 1000 м и 2 °C на 5000 м.

Таким образом, поверхностная вода может быть использована для нагрева жидкости (с использованием теплообменника), которая затем преобразуется в пар для приведения в движение турбины, вырабатывающей электроэнергию. Затем этот пар охлаждался бы в другом теплообменнике в контакте с холодной водой из глубины, возобновляя цикл генерации. Для поднятия больших объемов холодной воды на поверхность в преобразователях тепловой энергии используются дорогостоящие трубы большого диаметра, которые погружаются на глубину около полутора километров.

Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется с использованием цикла Ренкина (термодинамический цикл, в котором потребление тепла связано с производством работы), в котором жидкость испаряется, чтобы пройти через турбину. Цикл может быть открытым, замкнутым или комбинированными.

 а) Открытый цикл

OTEC с открытым циклом вырабатывает энергию непосредственно из теплой воды на поверхности.

Система OTEC с открытым циклом использует для своей работы вакуумную камеру. На рисунке 1 показана схема открытого цикла, в котором поверхностная теплая вода сначала закачивается в вакуумную камеру, которая работает при давлении от 1 до 3% от атмосферного. При таком давлении вода быстро вскипает и испаряется. Следует отметить, что соль и другие компоненты морской воды остаются в вакуумной камере. Этот пар проходит через турбину низкого давления, которая, в свою очередь, подключена к электрогенератору. Помимо производства электроэнергии, эта технология также позволяет производить опресненную воду, которая может использоваться в различных целях, в том числе в быту, промышленности и сельском хозяйстве.

Водяной пар низкого давления имеет высокий удельный объем; таким образом, OTEC с открытым циклом должен быть спроектирован с большими площадями потока, чтобы избежать высоких скоростей пара.

Система выработки электроэнергии, основанная на этой технологии, требует больших турбин, чтобы справляться с большими объемами производимого пара.

Можно использовать турбины, используемые на обычной паровой электростанции, но их мощность ограничена 2,5 МВт из-за технологических ограничений. По этой причине OTEC открытого цикла мощностью более 2,5 МВт является очень дорогостоящим, так как для его работы потребуется несколько модулей.

 б) Замкнутый цикл

В таких системах преобразования тепловой энергии океана для питания турбины, вырабатывающей электроэнергию, используются вещества с низкой температурой кипения — хладагенты. Это вещества, которые действует как охлаждающие агенты, обладающие особыми свойствами при испарении и конденсации. Из-за изменений давления и температуры они поглощают тепло в одном месте и рассеивают его в другом, превращаясь из жидкости в газ (и наоборот), как видно на рисунке 2. В качестве хладагентов используются низкокипящие жидкости, такие как пропан или аммиак. Теплая морская вода забирается с поверхности океанов, в то время как холодная вода поступает с глубины. В установках OTEC с замкнутым циклом тепла поверхностных вод достаточно для испарения хладагента. Образующийся пар используется для приведения в движение турбин, а затем охлаждается глубинной водой, и цикл повторяется.

Этот метод дешевле и технически более удобен, чем открытый цикл, но не дает опресненной воды. В 1979 году была сконструирована небольшая плавучая система OTEC. Эта система замкнутого цикла, известная как Mini-OTEC, была установлена на борту баржи ВМС США в 2,4 от побережья Гавайев и производила достаточно энергии (примерно 15 кВт) для работы судового освещения и некоторого электронного оборудования, став первым успешным примером замкнутой системы OTEC. В системе OTEC с замкнутым контуром самую высокую стоимость представляют теплообменники. Эти устройства отвечают за передачу тепла из одного места в другое и разделены контактной стенкой.

в) Комбинированный цикл

Комбинированный цикл OTEC представлен на рисунке 3, который сочетает в себе характеристики как замкнутого, так и открытого циклов. В комбинированных установках теплая морская вода поступает в вакуумную камеру, где превращается в пар, что схоже с системой испарения открытого цикла. Пар нагревает жидкость с низкой температурой кипения. Таким образом, водяной пар приводит к тому, что рабочая жидкость достигает точки кипения. Электричество вырабатывается за счет расширения хладагента в турбине, после чего испаренная жидкость конденсируется внутри теплообменника, получая, таким образом, опресненную воду.

Могут использоваться следующие рабочие жидкости:

1) Аммиак, который обладает превосходной транспортабельностью, его легко получить, а его стоимость невелика. К сожалению, это токсичная и легко воспламеняющаяся жидкость.

 2) Фторированные углероды; их преимущества заключаются в том, что они не токсичны и не воспламеняются, но они негативно влияют на озоновый слой.

 3) Углеводороды также могут быть использованы; однако их недостаток в том, что они легко воспламеняются. С другой стороны, давление используемой жидкости сильно влияет на размер системы, поскольку более высокое давление уменьшает размер как турбины, так и теплообменников; в свою очередь, толщина стенок теплообменников должна быть больше.

Технология OTEC жизнеспособна только в тропических регионах с круглогодичной разницей температур не менее 20 °C.

Эта технология все еще находится в стадии разработки, но она весьма перспективна, особенно для регионов с ограниченным доступом к питьевой воде.

Дальнейшее развитие технологии преобразования тепловой энергии океана требует значительных капиталовложений и должна финансироваться правительствами стран.

Как вывод

Возобновляемые источники энергии, будут играть значительно большую роль в будущих поставках энергии.

В отчете Международного энергетического агентства (МЭА) за декабрь 2022 года прогнозируется, что в течение 2022-2027 годов выработка электроэнергии из возобновляемых источников вырастет почти на 2400 ГВт, что соответствует всей выработанной мощности Китая в 2021 году. Это на 85% больше по сравнению с предыдущими пятью годами и почти на 30% выше, чем прогнозировало МЭА ранее в своем отчете за 2021 год. В течение прогнозируемого периода на возобновляемые источники энергии будет приходиться более 90% мирового расширения мощностей электроэнергии.  К середине века возобновляемые источники энергии могут обеспечить практически всю мировую энергию или почти все ее потребности в электроэнергии.

---