Возобновляемые источники энергии
Технологии, направленные на использование сил природы для выполнения работы, удовлетворяющей человеческие потребности, столь же стары, как и первое парусное судно. Имеется фундаментальная привлекательность в использовании таких природных сил, которые оберегают окружающую среду от эффектов горения органического топлива. Солнце, ветер, волны, реки, биомасса, потоки геотермальной теплоты земли действуют непрерывно и всегда (отсюда и термин "возобновляемый"). Из всего перечисленного пока только энергия падающей воды в реках получила широкое распространение для преобразования в электроэнергию. Основное применение солнечной энергии, благодаря фотосинтезу, человечество нашло в сельском хозяйстве и лесоводстве, хотя все чаще ее начинают использовать для отопления. Биомасса (например, остатки сахарного тростника) сжигается для получения энергии, увеличивается использование зерна для получения автомобильного топлива. Масштабы использования других видов природной энергии в настоящее время незначительны. Имеются и первостепенные задачи в сегодняшнем использовании возобновляемых источников энергии. Для фотоэлектрических систем, например, это вопрос - как сделать их самовозбуждающимися генераторами электричества. Для использования природной теплоты, - как преобразовать ее в пар или как применить другие способы преобразования энергии.
Если фундаментальное свойство возобновляемости источников энергии состоит в их доступности и относительно широкой распространенности, то фундаментальная проблема в их использовании для производства электроэнергии состоит в их нестабильности и недостаточной предсказуемости. Исключение составляет геотермальная энергия, которая не широко доступна. Это означает, что должны существовать либо дублирующие источники электроэнергии, либо способы ее накопления в больших масштабах. Однако, кроме накопления гидроэнергии в водохранилищах или сжатого воздуха в резервуарах (см. ниже), в настоящее время никакого другого способа не существует и не просматривается в будущем. Для автономных систем вопросы аккумулирования энергии являются первостепенными. При подключении их к существующим электросетям, возникает вопрос дублирующих источников. В использовании энергии солнца для крупномасштабного и особенно базисного производства электроэнергии имеются небольшие возможности.
Солнечная энергия: "Солнечный - не ядерный" - популярный лозунг представителей анти-ядерного движения в защиту окружающей среды и многих "технологических оптимистов", ратующих за прямое использование солнечного тепла, продолжает еще иногда звучать. Конечно, в будущем, возможно, мы будем видеть большее количество солнечных батарей на крышах домов, поскольку их цена снижается, а мы более рационально используем энергию, что способствует более широкому их распространению. Однако, для генерации электричества солнечная энергия имеет ограниченный потенциал, поскольку она непостоянна и непредсказуема. Во-первых, потоки солнечной энергии прерываются в ночное время и при облачной погоде. Это приводит к достаточно низкому коэффициенту использования солнечной энергии, обычно менее 15 процентов. Во-вторых, коэффициент преобразования современными фотоэлементами солнечной энергии в электрическую не превышает 12-16 процентов, и его до сих пор его не удается увеличить, хотя исследования в этой области ведутся уже более нескольких десятилетий. В Австралии в погожий солнечный день на поверхность земли, ориентированную перпендикулярно к солнечным лучам, попадает до одного килоВатта энергии на квадратный метр. В Канаде эта величина оказывается намного меньшей. На большей части ее территории, на горизонтальную поверхность площадью в один квадратный метр, попадает в среднем не более одного килоВатт часа солнечной энергии в течение дня. В настоящее время внимание сфокусировано на двух способах преобразования солнечной энергии в электрическую. Более всего известен метод, использующий фотоэлементы для генерации электричества. Этот метод имеет большое значение, например, для обеспечения энергией космических аппаратов, оборудования систем связи отдаленных узлов телесети в Австралии и Канаде. Популярность фотоэлементов была бы тем выше, чем выше была бы их эффективность и ниже стоимость (на сегодняшний день стоимость фотоэлементов составляет примерно 4000 долларов США на один килоВатт вырабатываемой мощности). Стоимость фотоэлементов все еще слишком высока для бытового использования. Для автономных систем должны обязательно использоваться некоторые способы хранения собранной энергии в течение темного времени суток или облачности. Это могут быть или аккумуляторные батареи, или водород, произведенный электролизом, или сверхпроводники. В любом случае, в дополнительные стадии превращения энергии необходимо вовлекать процессы с неизбежными энергетическими потерями, понижающие общий КПД, и значительно увеличивающие затраты. Несколько экспериментальных солнечных электростанций мощностью от 300 до 500 кВт включены в электросети Европы и США. В научных учреждениях продолжаются исследования в направлении уменьшения размеров фотоэлементов и увеличения их эффективности. Другое главное направление исследований - разработка экономных способов хранения энергии, которая выработана фотоэлементами в течение светового дня. Солнечная тепловая электростанция имеет систему зеркал для концентрации солнечного света на специальный поглотитель, в котором выделяющееся тепло преобразуется в пар высокого давления и приводит в движение турбины. Концентратор - это обычно параболический отражатель, который ориентируется между севером и югом, прослеживает путь солнца в течение дня. Поглотитель расположен в фокусе этого отражателя и использует солнечную энергию для нагревания специальной жидкости (обычно это синтетическое масло) до температуры порядка 400 градусов Цельсия. Эта жидкость далее управляет турбиной и генератором. В настоящее время несколько таких электростанций с мощностью энергоблоков 80 МВт находятся в эксплуатации. Каждый такой модуль занимает площадь примерно в 50 гектаров земли и требует очень точных систем управления. Солнечные электростанции дополняются модулями, работающими на газе, которые производят около четверти полной вырабатываемой мощности и сохраняют рабочий режим в течение ночи. В середине 1990-ых годов такие станции с суммарной мощностью более чем 350 МВт произвели во всем мире примерно 80 % электроэнергии, полученной от солнца. В будущем основная роль солнечной энергии будет состоять в ее прямом использовании для отопления. Наибольшая энергетическая потребность людей - это потребность в тепле, например, в горячем водоснабжении с температурой не более 60 градусов Цельсия. Более высокие температуры требуются в промышленности (в диапазоне 60 - 110 градусов Цельсия). Эти потребности в совокупности определяют пропорции энергетического потребления в индустриальных странах. Первая потребность же сего дня может быть удовлетворена в некоторых областях за счет использования солнечного света и тепла. Коммерческое использование солнечной энергии для снабжения теплом промышленных объектов, по-видимому, будет возможно в недалеком будущем. Практическая реализация такого подхода снизит в некоторой степени потребление электроэнергии, уменьшит расход органического топлива и благоприятно скажется на охране окружающей среды. А если использовать тепловые насосы с надлежащей изоляцией, то можно также отапливать (или охлаждать) здания с очень небольшими затратами энергии. В конечном счете, до десяти процентов полной потребляемой энергии в индустриальных странах может быть получено при рациональном использовании солнечного света и тепла. Это частично уменьшит необходимый уровень базисного производства электроэнергии.
Энергия ветра: В течении многих десятилетий в отдаленных районах используются ветряные турбины для бытовой генерации электричества и подзарядки аккумуляторных батарей. Генерирующие модули мощностью больше чем 1 МВт теперь функционируют во многих странах. Производимая ветряной турбиной мощность электроэнергии пропорциональна скорости ветра в третьей степени, и многие турбины эффективно работают при скорости ветра приблизительно 7 - 20 метров в секунду (или 25 - 70 км/час). На земном шаре не так много районов, имеющих такие преобладающие ветры. Подобно солнечной энергии, использование энергии ветра требует дополнительных дублирующих источников электроэнергии или систем аккумулирования энергии на случай более спокойной и безветренной погоды. В настоящее время ветряные турбины, работающие в различных частях мира, имеют общую мощность около 15000 МВт. Они являются ценным дополнением к крупномасштабным базисным электростанциям. Дания, например, получает 10 % своей электроэнергии от энергии ветра и, находясь в зависимости от импорта электроэнергии, намерена увеличивать эту долю. Наиболее экономичными и практичными являются ветряные коммерческие модули мощностью более одного МВт, которые могут группироваться в небольшие ветряные станции.
Реки: Гидроэлектроэнергия, которая является преобразованной потенциальной энергией воды в реках, в настоящее время составляет 19% всей мировой электроэнергии (в Австралии 10%, в Канаде 59 %). Кроме нескольких стран, гидроэлектроэнергия обычно применяется для компенсации пиковых нагрузок, потому что, во-первых, она может быть оперативно подключена к действующим электросетям, а во-вторых, запасы воды ограничены. В любом случае гидроэлектроэнергия не имеет перспектив для использования в будущем, так как большинство географических районов в мире, имеющих возможности для использования потенциальной энергии воды, или уже находятся в эксплуатации или же недоступны по другим причинам (из соображений охраны окружающей среды, например). Преимущество многих гидросистем состоит в их способности компенсировать сезонные (также как и ежедневные) максимальные нагрузки в потреблении электроэнергии. На практике использование запасов воды иногда усложняется запросами на ирригацию, которые могут происходить одновременно с пиковыми нагрузками. В некоторых областях географические условия могут ограничивать использование гидроэлектроэнергии в периоды сезонных дождей. Геотермальное тепло: В тех районах, где горячий подземный пар может достигать поверхности земли, его можно использовать для производства электроэнергии. Такого рода геотермальные источники энергии получили распространение в некоторых частях мира, например, в Новой Зеландии, в США, на Филиппинах, в Исландии и Италии. В общей сложности эти источники энергии сегодня вырабатывают до 6000 МВт мощности. Имеются также перспективы в использовании этого метода в других районах путем перекачивания горячей подземной воды в те места, где ее нет.