Возобновляемая энергия. Сценарии развития энергетики до 2030 года

04.01.2018

Продолжаю цитировать перевод Оксфордского учебника по возобновляемой энергии:

Каталог 3-х первых разделов учебника

Статья 3: [Boyle, G., Everett, R. and Ramage, J. (eds) (2003) Energy Systems and Sustainability: Power for a Sustainable Future, Oxford University Press in association with the Open Univer-sity, 620 pp. ].

Возобновляемая энергия может быть определена как «энергия, получаемая от непрерывных или возобновляемых потоков энергии, создаваемых в естественной окружающей среде» (Twidell и Weir, 1986). Или как потоки энергии, которые пополняются в той же степени, что и расходуются (Sorensen, 2000). На рисунке показано происхождение и возможности (ресурсы) возобновляемых источников энергии Земли. Очевидно, что главный источник - солнечное излучение.

Солнечное излучение дает примерно 5,4 млн. джоулевого эквивалента (ЭДж) в год. Приблизительно 30% отражается обратно в космос. Остающийся 70% в принципе доступны для использования на Земле в объеме приблизительно 3,8 млн. джоулевого эквивалента (ЭДж), что более чем в 10 000 раз превышает норму потребления от ископаемых и ядерных топлив, которая в 2002 приблизительно равна 370 ЭДж. Достаточно перспективны, но пока мало использованы два возобновляемых источника энергии не солнечного происхождения: движение океанских водных потоков, вызванных, главным образом, гравитационным притяжением Луны (с небольшим участием сил гравитации Солнца); и геотермальное тепло от земной поверхности, которое включает энергию от вулканов и энергию, накопленную в массивах твердых пород.

Возобновляемые источники энергии, вероятно, обеспечат пропорциональность потребления энергии в мире во второй половине 21 столетия. В Великобритании издана Белая Книга Энергетики (DTI, 2003), и вот некоторые выдержки из нее:

Возможный сценарий развития энергетики до 2020 г.

Мы считаем, что в 2020 году системы получения энергии в Великобритании будут намного разнообразнее, чем теперь:

- Основой системы электроснабжения все еще будет единая энергосеть, объединяющая в единую систему большие электростанции. Но некоторые из этих электростанции будут установлены на побережье, в том числе волновые, приливные и ветростанции. Также электроэнергию будут вырабатывать небольшие ветростанции, установленные на берегу. На энергорынке также предусмотрят резервные запасы электроэнергии для периодов, когда неустойчивые погодные условия вынудят сократить или даже совсем прекратить получение энергии от этих источников.

- Больший вклад внесет местная выработка электроэнергии, частично от небольших энергетических установок индивидуального или общественного пользования, в которых будет использоваться в качестве топлива выращенная в местном масштабе биомасса, получаемых по месту отходы, местные возможности ветра, энергия волн, отливов и приливов. Они будут обеспечивать местное энергопотребление, местные электросети, и при этом продавать избыток произведенной мощности в единую энергосеть. Одновременно будет также вырабатываться тепло для местного использования.

- Будет гораздо больше микрогенераторов, например, теплоэнергоцентралей (ТЭЦ), одновременно вырабатывающих тепло и электроэнергию, больше теплогенерирующих солнечных батарей в зданиях. Время от времени они также будут производиться избыток электроэнергии, который будет продаваться в единую энергосеть.

Новые дома будут проектироваться с очень малым потреблением энергии и возможно будет даже достигнута нулевая эмиссий углеродистых выбросов. Существующие здания будут использовать энергосберегающие технологии. Многие здания будут оборудованы так, чтобы сократить их нагрузку на энергосеть, например, будут использованы солнечные батареи, чтобы частично обеспечить необходимый нагрев воды, и если при этом не стоит задача выработки электроэнергии, то она будет продаваться в местную сеть.

(Источник: Департамент Торговли и Промышленности, 2003)

Рассматривая перспективу до 2050 года, Британская Королевская Комиссия по Экологическим Загрязнениям рассмотрела четыре 'сценария' получения энергии, которые сочетают в себе возможности использования возобновляемых источников энергии. Они будут играть достаточно большую роль в британских системах энергоснабжения (RCEP, 2000).

Эти и другие экспериментальные исследования свидетельствуют, что существуют положительные перспективы для использования возобновляемой энергии, как в Великобритании, так и в других странах.

Литература

  • BP (2003) BP Statistical Review of World Energy [online], BP. Available at www.bp.com/centres/energy2002/index.asp [ac-cessed 27 October 2003].
  • Department of Trade and Industry (DTI) (2001a) Digest of UK Energy Statistics (DUKES), 2000, HMSO.
  • Department of Trade and Industry (DTI) (2001b) UK Energy Sector Indicators 2001, HMSO.
  • Department of Trade and Industry (DTI) (2003a) UK En-ergy in Brief: July 2003, HMSO.
  • Department of Trade and Industry (DTI) (2003b) Our Energy Future - Creating a Low Carbon Economy (the 2003 White Paper on Energy), HMSO. Available at: www.dti.gov.uk/energy/whitepaper/ourenergyfuture.pdf [ac-cessed 28 October 2003].
  • Intergovernmental Panel on Climate Change (2001) Climate Change 2001: the Scientific Basis, Cambridge University Press. Summary for Policymakers and Technical summary at: www.ipcc.ch/pub/reports.htm [accessed 28 October 2003].
  • Laherrere, J. H. (2001) 'Forecasting future production from past discovery', OPEC seminar, 28 September 2001.
  • Twidell, J and Weir, A. (1986) Renewable Energy Re-sources, London, E & FN Spon.
  • RCEP (Royal Commission on Environmental Pollution) (2000) Energy: the Changing Climate, London, Stationery Office. Available at: www.rcep.org.uk/reports2.html [accessed 28 October 2003)].
  • Sorensen, B. (2000) Renewable Energy (Second Edition) Academic Press, p 3.
  • United Nations Development Programme (2000) World Energy Assessment, New York, United Nations. Available at: www.undp.org/seed/eap/activities/ wea/ [accessed 10 November 2003].

Солнечная энергия: прямое использование

Солнечное излучение может быть превращено в полезную энергию непосредственно, за счет использования различных технологии. Собранное в солнечных накопителях, оно может обеспечить горячее водоснабжение или обогрев помещений. Здания могут также проектироваться с «пассивными соляриями», которые также смогут обеспечить обогрев и освещение помещений за счет солнечной энергии.

Солнечная энергия может быть также сконцентрирована зеркалами, для получения высокой температуры для производства электричества. Такие солнечные теплоэлектростанции уже нашли коммерческое применение в США.

Солнечное излучение также может быть превращено непосредственно в электричество за счет использования фотоэффекта (ФЭ) – фотовольтаики, в солнечных модулях, обычно устанавливаемых на крышах или фасадах зданий. Электричество от фотоэффекта в настоящее время дорого, но цены уменьшаются и быстро расширяется его промышленное производство.

Солнечная энергия: косвенное использование

Солнечное излучение может быть превращено в полезную энергию косвенно, через другие формы энергии. Большая доля излучения, достигающая поверхности Земли, поглощается океанами, нагревая их и добавляя в воздух водный пар. Водный пар конденсируется в виде дождя, пополняя реки, на которых мы можем установить дамбы и турбины, чтобы извлечь часть энергии. Гидроэнергетика устойчиво увеличивалась в течение двадцатого столетия, и в настоящее время обеспечивает шестую часть всемирного получения электричества.

Солнечный свет имеет более перпендикулярное направление к земной поверхности в тропических областях. В высоких широтах свет падает под большим углом, из-за чего тропики нагреваются значительно больше, чем полярные области. В результате массивный поток тепла движется по направлению к полюсам, переносится потоками воды в океанах и воздухом в атмосфере. Энергия этих потоков может использоваться, например, в ветротурбинах. Использование энергии ветра получило значительное развитие только за несколько последних десятилетий, но в настоящее время является одним из наиболее быстро развивающихся направлений новых возобновляемых источников электричества.

Ветры, проходя над поверхностью океана, создают волны, что могут использовать разнообразные устройства по извлечению этой энергию. Сила волн вызывает интерес и объединяет усилий по их исследованию, созданию и применению в некоторых странах.

Биоэнергия - другой пример косвенного использования солнечной энергии. При помощи механизма фотосинтеза солнечное излучение превращает воду и атмосферную углекислоту в углеводы, которые являются основой для более сложных молекулярных элементов. Биомасса в форме древесины или других биологических «топлив», - главный мировой источник энергии, особенно в развивающихся странах. Газообразные и жидкие топлива, полученные от биологических источников, вносят существенный вклад в энергоснабжения некоторых стран. Биологическое топливо может также быть получено из отходов, большая часть которых имеют биологическое происхождение.

Биологическое топливо возобновляется в том объеме, в котором возможно их обновление за счет нового урожая. Но в большинстве случаев количество урожая не предсказуемо, отчего объем топлива случаен. Хотя сгорание биологического топлива также создает атмосферные выбросы CО2, но этот CО2 поглощается при повторном выращивании урожая, причем результат поглощения может быть существенным.

Возобновляемые источники энергии без использования энергии Солнца

Два других типа возобновляемой энергии не зависят от солнечного излучения: энергия приливов и отливов, и геотермальная энергия.

Энергию приливов и отливов часто ошибочно путают и смешивают с энергией волн, но ее происхождение значительно отличается. Мощность потоков приливов и отливов может использоваться при помощи создания дамбы или заграждения, из-за которых растут уровни задержанной на пути воды. Затем вода течет через турбины электрических генераторов.

Также можно использовать мощность сильных подводных течений, происхождение которых, в большинстве случаев, связано с приливами и отливами. Различные устройства для эксплуатации этого источника энергии, как, например, морские вращающиеся турбины (подобные подводным ветротурбинам) находятся на стадии прототипа.

Внутреннее тепло Земли - источник геотермальной энергии. Высокая температура источника геотермальной энергии была первоначально вызвана гравитационными сокращениями планеты, формировалась нарастанием тепла от распада радиоактивных материалов в пределах ядра Земли.

В некоторых местах, где нагретые твердые породы выходят на поверхность земли, они нагревают воду подземных водоносных слоев. Горячую воду или пар используют в течение столетий. В некоторых странах геотермальный пар используют для производства электроэнергии, в других горячая вода от геотермальных скважин используется для обогрева.

Если пар или горячая вода извлекаются в большей объеме, чем возможно пополнение тепла от камней окружающих скал, геотермальный источник остынет и придется сверлить поблизости новые колодцы-шурфы. Если действовать таким образом, геотермальная энергия, строго говоря, не является возобновляемой. Однако, можно использовать ее, как возобновляемую, если выдерживать норму извлечения ниже нормы возобновления.

Обсудить в моем ЖЖ: http://universal-inf.livejournal.com/2220742.html

Продолжение следует

Также рекомендую первые 2 статьи из перевода:

Энергетика устойчивого будущего
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив

И статью Несколько характеристик атомной энергетики