Возобновляемые источники энергии - энергия будущего

Что такое возобновляемые источники энергии и какие преимущества они предлагают по сравнению с ископаемым топливом?

Население мира продолжает расти, промышленность растет, как и спрос на энергию. И все же ископаемое топливо, такое как уголь и нефть, ограничено. Так что же делать? Миру нужны альтернативные формы энергии, которые восполняются естественным образом и находятся в бесконечном количестве. Они включают гидроэнергетику, солнечную и энергию ветра, биомасса и геотермальная. Установки и системы не выделяют парниковые газы или загрязняющие вещества и поэтому производят энергию таким образом, чтобы это было полезно для окружающей среды и здоровья.

Есть еще больше преимуществ: возобновляемые источники энергии делают Германию, например, менее зависимой от импорта ископаемого топлива. Страна экономит деньги и может действовать более суверенно. Возникает также высокотехнологичная отрасль, связанная с альтернативными формами энергии. Возобновляемые источники энергии - это растущий рынок, который, как ожидается, достигнет объема 1512 миллиардов долларов США к 2025 году. 

Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) оценивает количество рабочих мест в области возобновляемых источников энергии в одиннадцать миллионов во всем мире в 2018 году - увеличение на на семь процентов по сравнению с 2017 годом. Фотоэлектрическая промышленность является крупнейшим работодателем с численностью персонала около 3,3 миллиона человек.

Какие существуют виды возобновляемой энергии и источники?

Существует пять различных видов возобновляемых источников энергии: солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия, биомасса и геотермальное отопление.

Солнечная энергия и фотоэлектрическая энергия

Солнце излучает на Землю огромное количество энергии - достаточно за час, чтобы теоретически обеспечить всю планету электричеством в течение года. Соответственно, фотоэлектрические модули, которые можно найти на крышах и открытых пространствах по всему миру, являются привлекательным решением. Они используют кремниевые полупроводники, которые преобразуют солнечные лучи в электричество. В качестве альтернативы тепло может генерироваться за счет солнечного света: солнечные тепловые коллекторы нагревают масло или воду с помощью солнечного света. Затем теплая вода используется для отопления. Кстати, самая большая в мире солнечная ферма находится в Китае. Солнечный парк плотины Лунъянся состоит из более четырех миллионов панелей. Они поставляют около 850 МВт электроэнергии - энергии достаточно для 140 000 частных домов.

По данным Немецкого агентства по окружающей среде, фотоэлектрические станции произвели 50,6 тераватт-часов (ТВтч) электроэнергии в Германии в 2020 году, что составляет 20 процентов от общего объема энергии, поставляемой из возобновляемых источников. Кроме того, в настоящее время солнечные тепловые системы вырабатывают от 8 до 9 ТВт·ч тепла.

Энергия ветра

Ветряные турбины можно найти практически повсюду в Германии. Ветер заставляет ротор вращаться. Генератор преобразует кинетическую энергию в электричество - как динамо велосипеда.

В 2020 году ветряные турбины произвели в Германии 131 ТВт-ч электроэнергии, или 23,7 процента от общего потребления электроэнергии в Германии. Самая большая в мире ветряная турбина находится в Германии, в Гайлдорфе, недалеко от Штутгарта. Высота гиганта составляет 246,5 метра, а мощность - 3,4 мегаватт (МВт).

Гидроэнергетика

Текущая вода также генерирует энергию. Гидроэлектростанции работают с турбинами, расположенными в реке или стене плотины. Ток приводит в движение колеса турбины, которые, в свою очередь, приводят в движение генераторы энергии. Самая большая гидроэлектростанция в мире - плотина Три ущелья в Китае. Его стена составляет 185 метров в высоту и 2309 метров в длину. Мощность завода составляет 22,5 гигаватт (ГВт).

Гидроэнергетика играет относительно небольшую роль в энергобалансе Германии. В 2020 году электростанции произвели 18,6 ТВтч электроэнергии, что составляет 7 процентов от общего объема энергии, поставляемой из возобновляемых источников. В соседней Норвегии дело обстоит иначе. Поскольку здесь очень много рек, озер и водопадов, гидроэнергетика играет более важную роль. Он покрывает более 96 процентов потребностей страны в энергии.

Биомасса

Другие источники выработки энергии включают отходы растений и животных. Если эта биомасса сжигается в котле, выделяется тепло, которое затем кипятит воду. В результате пар приводит в действие турбины, которые вырабатывают электроэнергию с помощью генераторов - как на обычной угольной электростанции.

Электростанции, работающие на биомассе, достигают оптимальной эффективности, если они также используют отходящее тепло для отопления. Самая большая в мире электростанция, работающая на биомассе, находится в Поланице на юге Польши. Он выдает 200 МВт электроэнергии.

Электростанции, работающие на биомассе, произвели в Германии 50,6 ТВтч электроэнергии в 2020 году, что составляет 20 процентов энергобаланса страны. Однако в 2019 году они также произвели 152 ТВт·ч тепла. В целом, биомасса составляет 88 процентов от общего количества тепла, производимого из возобновляемых источников энергии.

Геотермальное отопление

Наша планета кипит и кипит под нашими ногами. Через каждые 100 метров температура Земли повышается на три градуса по Цельсию - и даже на десять градусов в Швабской Юре, недалеко от центра бывшей вулканической активности. Это тепло можно использовать для получения электричества. Гигантские буровые установки на геотермальных электростанциях проникают в землю на сотни метров. Затем насосы перекачивают воду в горячие недра Земли. На этой глубине относительно холодная жидкость превращается в пар, который приводит в действие турбины и, следовательно, генераторы энергии.

Геотермальные электростанции играют в Германии второстепенную роль по сравнению с электростанциями, работающими на биомассе. В 2018 году они произвели около 0,2 ТВт-ч электроэнергии, а также 14,7 ТВт-ч тепла за счет геотермальной энергии и тепла окружающей среды.

Как можно хранить возобновляемую энергию?

Однако использование возобновляемых источников энергии также сопряжено с проблемами: солнце светит нерегулярно, а ветер переменчив. Поэтому кажется разумным хранить энергию в те времена, когда она имеет высокий выход. Но как?

Устройства хранения электроэнергии

Электроэнергия из возобновляемых источников энергии может храниться в батареях и суперконденсаторах, хотя на сегодняшний день это еще невозможно в каких-либо значительных объемах.

Подход «энергия-газ» также возможен: электролизная установка использует избыток электроэнергии для разделения воды на химические составляющие, кислород и водород. Водород можно хранить как источник энергии. В процессе восстановления топливные элементы преобразуют химическую энергию водорода в электричество.

Природные хранилища

Резервуары: избыток электроэнергии из возобновляемых источников энергии можно использовать для привода насосов, перекачивающих воду в высокогорный резервуар. Вода течет обратно в исходную точку, проходя через силовые турбины, которые позволяют рекуперировать энергию.

Еще одно средство хранения: Избыточное электричество используется компрессорами для закачки воздуха в подземные резервуары сжатого воздуха - в соляные пещеры или слои горных пород под морским дном. Для рекуперации энергии сжатый воздух нагнетается через турбины, приводящие в действие генераторы энергии.

Возобновляемые источники энергии

В соответствии с Планом действий Германии по борьбе с изменением климата на 2050 г. к 2050 г. предполагается, что электроэнергия будет производиться преимущественно без выбросов парниковых газов. В рамках этого плана политики наметили основные этапы. Доля возобновляемых источников энергии должна вырасти до 45 процентов к 2025 году. Следовательно, Закон Германии о возобновляемых источниках энергии (EEG) обязывает сетевых операторов в первую очередь подключать к своей сети заводы, работающие на возобновляемых источниках энергии.

И насколько далеко Германия продвинулась вперед? В 2020 году из возобновляемых источников было произведено в общей сложности 233 ТВт-ч энергии. Это на 4,1 процента больше, чем в 2019 году.  

Это означает, что возобновляемые источники производят 45,4% электроэнергии и 15% тепла в Германии. В результате страна сократила выбросы CO 2 на 227 миллионов тонн. В один прекрасный день, 28 января 2018 года, экологически чистая энергия покрыла даже 81 процент потребляемой энергии в Германии.

Возобновляемые источники энергии во всем мире

Использование возобновляемых источников энергии также расширяется во всем мире. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), мировая генерирующая мощность на конец 2018 года составила 2,799 ГВт. Это примерно треть мировой мощности. Наибольшая доля приходится на гидроэнергетику (1140 ГВт), за ней следуют энергия ветра (622 ГВт) и солнечная энергия (584 ГВт).

В последнее время мощности возобновляемых источников энергии выросли быстрее всего в Океании (17,7 процента), за ней следуют Азия (11,4 процента) и Африка (8,4 процента).

Какие еще возобновляемые источники энергии могут быть добавлены в будущем?

Исследователи во всем мире экспериментируют с новыми возобновляемыми источниками энергии. Американская компания Solaren намерена построить солнечные фермы в космосе, чтобы еще более эффективно использовать солнечную энергию. Еще один новый подход - плавучие солнечные электростанции. Они достигают более высокого КПД за счет того, что массив панелей охлаждается водой. И есть пилотная установка, на которой турбины преобразуют приливные течения в энергию у побережья Северного Девона в Англии.

Шведы тоже авантюрно экспериментируют. Ученые стремятся покрыть фасад высотного здания в Стокгольме (Söder Torn) своего рода волосатой шубой, состоящей из миллионов крошечных волосков, в основе которых лежат пьезоэлектрические материалы. Когда волосы двигаются на ветру, они вырабатывают электричество. Итак, то, что готовит будущее возобновляемых источников энергии, обещает быть захватывающим.