Благодаря высокому температурному показателю ядра Земли в ее недрах накапливается большое количество тепловой энергии. В качестве источников геотермальной энергии используются вулканические районы, источники горячей воды или пара.
Альтернативные источники энергии: какие виды как использовать
Серьезный климатический кризис на нашей планете привел к быстрому переходу от ископаемого топлива к альтернативным, «зеленым» источникам энергии. Являются ли они хорошей заменой нефти и угля, каковы их преимущества и недостатки, рассказывает Plus-one.ru.
К альтернативным источникам энергии относятся нетрадиционные источники энергии — солнечная, ветровая, геотермальная и т.д.
Возобновляемые источники энергии не загрязняют окружающую среду, помогают снизить выбросы парниковых газов в атмосферу и смягчить последствия изменения климата. Они практически неисчерпаемы, в то время как ископаемое топливо рано или поздно закончится.
Возобновляемые источники энергии не включают ядерную энергию и природный газ, поскольку эти ресурсы ограничены.
Альтернативные виды энергии
Существуют различные виды энергии и способы ее получения.
С нашей точки зрения, можно выделить следующие виды альтернативных источников энергии: Солнечная энергия, энергия ветра, гидроэлектрическая энергия, энергия волн, энергия приливов и отливов, гидротермальная энергия, энергия диффузии жидкости, геотермальная энергия и биотопливо.
Способы получения и использования энергии различаются в зависимости от типа альтернативных источников. Их объединяет то, что в настоящее время они используются гораздо реже, чем ископаемое топливо, но все они имеют большой потенциал для роста.
Плюсы и минусы альтернативной энергии
В настоящее время производство альтернативных видов энергии ограничено, несмотря на их большую экологичность и потенциал. Разработка технологий на их основе сопряжена с рядом затрат, которые необходимо учитывать.
1. Солнечная энергия
Установив солнечные панели на своем доме, вы генерируете собственную электроэнергию, становитесь менее зависимыми от электросети и сокращаете ежемесячный счет за электричество.
Недавние исследования показали, что после установки солнечных батарей стоимость недвижимости увеличивается. Сами солнечные панели становятся дешевле.
Солнце светит повсюду на земле, а это значит, что солнечная энергия — хороший вариант для каждой страны, хотя есть различия в зависимости от региона и количества солнечного света. В России, например, самыми солнечными городами являются Улан-Удэ и Хабаровск.
Солнечные панели подходят не для всех типов крыш. Некоторые кровельные материалы, используемые в старых домах, такие как шифер или кедровая черепица, могут не подходить для солнечных панелей.
Солнечная энергия не работает ночью. «Солнечные» дома полагаются на электрическую сеть в ночное и другое время, когда солнечный свет ограничен.
Первоначальные затраты на установку и использование солнечной энергии очень высоки, поскольку человеку приходится платить за всю систему — батареи, кабели, солнечные панели и т.д. — должна быть оплачена.
Как солнечные батареи экономят расходы на электроэнергию
Пять выводов о частной солнечной энергетике в России
2. Ветроэнергетика
Ветряные турбины, которые используют ветер для выработки большого количества электроэнергии, почти так же эффективны, как солнечные панели. Энергия ветра особенно привлекательна для рынка жилья.
С 1980 года цены упали более чем на 80 %. Благодаря техническому прогрессу и росту спроса, в ближайшем будущем ожидается снижение цен.
Ветер — не самый надежный источник энергии, так как ветряные турбины работают только на 30% мощности в период низкого энергопотребления. В безветренную погоду вы можете остаться без электричества.
Энергия ветра может быть использована только там, где скорость ветра высокая. Поскольку сильные ветры дуют в основном в отдаленных, необжитых районах, для подачи электроэнергии в дома в городах приходится строить линии электропередач. А это требует дополнительных инвестиций.
Эксперт: Россия может перейти с угля и газа на энергию ветра
Стоимость энергии ветра в стране уже сравнима со стоимостью традиционной электроэнергии
3. Гидроэнергия
Большинство гидроэлектростанций — водохранилищ с большим количеством воды в резервуарах — почти всегда имеют резерв, из которого можно черпать энергию. В этом смысле гидроэлектростанции являются более надежным и стабильным источником энергии, чем энергия ветра и солнца.
Кумулятивные гидроэлектростанции способны вырабатывать электроэнергию по требованию, поэтому гидроэлектростанции могут заменить традиционные генераторы, которые могут быть отключены, такие как угольные и газовые электростанции.
Буферные гидроэлектростанции прерывают естественное течение речной системы. Это приводит к прерыванию путей миграции животных и проблемам с качеством воды.
Возобновляемые источники энергии помогают бороться с изменением климата, которое становится все более разрушительным. Ветер, солнце, гидроэнергия и другие источники энергии станут хорошей заменой ископаемому топливу в будущем. Чем быстрее это произойдет, тем лучше для нас и нашей планеты.
Электричество из воздуха
В 2020 году группа исследователей из Массачусетского университета разработала устройство Air-gen, основным компонентом которого является чрезвычайно тонкая пленка из белковых нановолокон. Волокна были «выращены» с помощью бактерии Geobacter sulfurreducens, а материал, толщина которого меньше человеческого волоса, затем помещен между золотыми электродами.
Ученые объясняют выработку электроэнергии градиентом влажности, который образуется внутри мембраны. Энергия образуется в результате ионизации карбоксильных групп на поверхности белковых нитей под воздействием молекул воды. В результате образуются подвижные протоны, которые действуют как носители заряда.
В состоянии покоя генератор выдает около 0,52 вольт. Если он работает в течение 20 часов, напряжение падает на треть, но после выключения устройство восстанавливается и начинает вырабатывать электроэнергию с теми же свойствами. Используя сеть различных устройств, ученые смогли запитать светодиод и подать электричество на небольшую ЖК-панель».
Пока мощности Air-gen достаточно только для питания небольших электронных устройств. Однако исследователи видят большой потенциал для его использования в разработке. Например, если белковую пленку расположить в виде слоистой воздушно-вакуумной схемы, генератор сможет вырабатывать 1 киловатт на кубический метр независимо от погодных условий, говорят ученые. Это потенциально лучше, чем мощность солнечных панелей, которые требуют много места и также зависят от освещения на участке.
Термоядерная энергетика
Естественным термоядерным реактором является Солнце. В звезде заряженные атомные ядра постоянно сливаются, выделяя огромное количество энергии. Чтобы воспроизвести эти процессы на Земле, ядра должны быть ускорены или нагреты. Проблема в том, что для этого требуется больше энергии, чем имеется в настоящее время.
Генератор NIF (National Ignition Facility), например, выработал рекордные 70 % используемой энергии. Этот реактор фокусирует свет 192 импульсных лазеров на золотой мишени, окружающей капсулу, содержащую дейтерий-тритиевую смесь. В течение нескольких наносекунд золото испаряется и испускает рентгеновские лучи. Они облучают капсулу и превращают смесь внутри в светящуюся плазму. В результате происходит слияние атомных ядер.
NIF — это только один тип термоядерного реактора. Более «популярными» являются так называемые токамаки (тороидальные камеры с магнитными катушками). В их основе лежит магнитная катушка, которая удерживает плазму в своеобразной «спирали» и не позволяет раскаленному материалу касаться стен. Плазма нагревается за счет микроволнового излучения и омического нагрева, вызванного протекающим током.
В мире существует около 300 токамаков, крупнейшим из которых является проект ИТЭР. Он все еще находится в стадии строительства, но ученые надеются, что однажды этот реактор сможет выделять в десять раз больше энергии, чем требуется для нагрева и удержания плазмы.
ИТЭР далек от того, чтобы стать коммерческим проектом. Нейтроны будут выходить через обычные бетонные стены здания, поэтому во время работы станции внутри не будет людей. Виталий Красильников, участвовавший в строительстве «Токамака», сказал, что практическое использование реактора ожидается не ранее 2050 года.
Однако эффективный термоядерный синтез может обеспечить человечество практически неограниченным количеством чистой энергии. Возможно, именно поэтому редакторы престижного издания MIT Technology Review включили термоядерные реакторы в свой список наиболее перспективных технологий 2022 года.
Пьезоэлектрические вирусы
Пьезоэлектрический эффект, т.е. генерация электричества под действием механического давления, был открыт еще в 19 веке. Сегодня он используется, например, в зажигалках, где при нажатии на кнопку образуется искра.
Группа ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли обнаружила, что он может создавать искру в зажигалке. Лоуренс Беркли обнаружил пьезоэлектрические свойства в органических соединениях с упорядоченной клеточной структурой: кость и коллаген из хрящей и сухожилий оказались слабыми пьезоэлектриками. Поэтому можно создать структуру из белков с такими же свойствами, согласно гипотезе ученых, создавших генетически модифицированную версию вируса M13.
Белковая оболочка этого безобидного организма устроена таким образом, что при механической деформации создает асимметрию в распределении положительных и отрицательных зарядов на своей поверхности. Этот «перекос» приводит к возникновению электрического тока в проводнике, подключенном к разным концам пьезоэлектрического элемента.
Ученые нанесли тонкую пленку раствора вирусных частиц, а затем построили пьезоэлектрический генератор из 20 слоев. Оказалось, что это устройство генерирует напряжение, достаточное для питания ЖК-экрана.
Конечно, существуют и более сложные пьезоэлектрические генераторы. Но в отличие от органических материалов, структуру вирусов можно относительно легко изменить, чтобы улучшить свойства осциллятора. Теоретически, разработку американских ученых можно использовать в больших городах, встраивая реакторные «вирусы» в дорожное покрытие: Люди будут вырабатывать энергию с каждым своим шагом. Но эта идея звучит слишком смело, и в своем исследовании физики предлагают начать с подошв обуви.
