Высокая температура внутри ядра Земли приводит к накоплению значительного количества тепловой энергии в ее недрах. Геотермальная энергия используется благодаря таким природным источникам, как вулканические регионы, а также источники горячей воды или пара, что делает ее одним из актуальных альтернативных источников энергии.
Альтернативные источники энергии: какие виды и как использовать
Нарастающий климатический кризис на планете стал причиной быстрого перехода от использования ископаемого топлива к альтернативным, так называемым «зелёным» источникам энергии. Поднимается вопрос: являются ли они достойной заменой нефти и угля? В чем заключаются их преимущества и недостатки? На эти вопросы отвечает ресурс Plus-one.ru.
К альтернативным источникам энергии относят нетрадиционные источники, такие как солнечная, ветровая, геотермальная энергия и другие.
Возобновляемые источники энергии практически не загрязняют окружающую среду, что помогает снизить выбросы парниковых газов в атмосферу и смягчить негативные последствия изменения климата. Они имеют практически неисчерпаемую природу, в то время как запасы ископаемого топлива неуклонно истощаются.
Важно отметить, что к возобновляемым источникам энергии не относятся ядерная энергия и природный газ, так как эти ресурсы также имеют ограниченные запасы.
Альтернативные виды энергии
Существует множество видов энергии и способов её получения. На основании различных критериев, можно выделить такие альтернативные источники энергии, как: 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 варьируются в зависимости от конкретного типа альтернативных источников. Несмотря на то, что они в настоящее время применяются значительно реже, чем ископаемое топливо, все эти источники имеют огромный потенциал для дальнейшего роста и развития.
Плюсы и минусы альтернативной энергии
Несмотря на очевидные экологические преимущества и потенциальные возможности альтернативных видов энергии, их производство в настоящее время ограничено. Этот факт часто связан с необходимыми затратами на разработку технологий, которые необходимо учитывать на всех этапах внедрения.
1. Солнечная энергия
Установив солнечные панели на крыше своего дома, вы можете генерировать собственную электроэнергию, что снижает вашу зависимость от электросети и позволяет сократить ежемесячные расходы на электричество.
Недавние исследования продемонстрировали, что после установки солнечных батарей стоимость недвижимости может увеличиться, что делает покупку и установку солнечных панелей довольно выгодным вложением. Сами панели становятся всё доступнее по цене, что делает эту энергию более привлекательной для потребителей.
Солнце светит практически на всей поверхности Земли, а значит, солнечная энергия представляет собой разумный выбор для большинства стран. Однако стоит учитывать, что продуктивность солнечных панелей различается в зависимости от региональных условий и доступного солнечного света. Например, в России наибольшее количество солнечных часов наблюдается в таких городах, как Улан-Удэ и Хабаровск.
Следует также охарактеризовать, что не все крыши подходят для установки солнечных панелей. Например, некоторые кровельные материалы, используемые в старых зданиях, такие как шифер или кедровая черепица, могут не обеспечивать необходимую поддержку для установки солнечных устройств.
Важно помнить, что солнечные панели не вырабатывают энергию ночью, и таким образом, «солнечные» дома будут зависеть от электросети в ночное время или в дни с ограниченным солнечным светом.
Первоначальные затраты на установку солнечной энергетической системы могут быть достаточно высокими, так как потребуется оплатить все компоненты системы — от батарей и кабелей до самих солнечных панелей.
Как именно солнечные панели позволяют снизить затраты на электроэнергию — об этом далее в статье.
Возникает вопрос, каковы основные выводы о частной солнечной энергетике в России? Это важно для анализа текущей ситуации.
2. Ветроэнергетика
Ветряные турбины, использующие сила ветра для генерации значительного объема электроэнергии, по своей эффективности близки к солнечным панелям. Энергия ветра оказывается особенно привлекательной для жилищного сектора.
С 1980 года стоимость ветряных установок снизилась более чем на 80% за счет технического прогресса и увеличения спроса, и в ближайшие годы прогнозируется дальнейшее падение цен.
Однако ветер не всегда надежный источник энергии, так как ветряные турбины функционируют на уровне лишь 30% своей мощности в периоды низкого энергопотребления или безветрия. Это может привести к отсутствию электроэнергии в отсутствие ветра.
Ветер может быть использован только в местах, где скорость ветра высока. Поскольку сильные ветры обычно наблюдаются в удаленных и малообжитых областях, необходимо прокладывать линии электропередач для доставки электроэнергии к потребителям в городах, что требует дополнительных инвестиций и расходов.
По мнению экспертов, Россия обладает огромным потенциалом для перехода на использование энергии ветра в качестве замены углю и природному газу, однако необходимо решать возникающие проблемы на пути к этому переходу.
3. Гидроэнергия
Большинство гидроэлектростанций функционируют как водохранилища, которые имеют значительные запасы воды, которую можно использовать для производства электроэнергии. Поэтому гидроэлектростанции представляют собой более стабильный и надежный источник энергии по сравнению с ветровой и солнечной энергией.
Гидроэлектростанции способны вырабатывать электроэнергию по требованию, что делает их заменителями традиционных генераторов, таких как угольные и газовые электростанции, которые могут быть отключены.
Однако стоит учитывать, что буферные гидроэлектростанции прерывают естественные речные потоки, что может негативно сказаться на миграции животных и качестве воды в реках, вызывая экологические проблемы.
Возобновляемые источники энергии играют важную роль в борьбе с изменением климата, который становится все более разрушительным для природы. Использование ветра, солнечной и гидроэнергии, а также других видов альтернативных источников энергии должно стать разумной заменой ископаемому топливу в будущем. Чем быстрее это произойдет, тем лучше для нашей планеты и нашего общества.
Электричество из воздуха
В 2020 году группа исследователей из Массачусетского университета разработала инновационное устройство под названием Air-gen, основным компонентом которого является крайне тонкая пленка, сделанная из белковых нановолокон. Эти волокна были «выращены» с помощью бактерии Geobacter sulfurreducens, а материал, толщина которого меньше человеческого волоса, был помещен между двумя золотыми электродами.
Ученые объясняют принцип работы генератора Air-gen наличием градиента влажности внутри мембраны, который генерирует электрическую энергию. Этот процесс происходит в результате ионизации карбоксильных групп, расположенных на поверхности белковых нитей, воздействием молекул воды. В результате выделяются подвижные протоны, которые действуют как носители электрического заряда.
Находясь в состоянии покоя, генератор выдает приблизительно 0,52 вольта. Если устройство функционирует в течение 20 часов, напряжение может снизиться на треть, но после отключения генератор восстанавливается и снова начинает выдавать электричество с прежними характеристиками. Ученые смогли использовать эту технологию для питания светодиодов и небольшой ЖК-панели).
Хотя текущая мощность Air-gen достаточно для питания лишь небольших электронных устройств, исследователи отметили большой потенциал его использования для более масштабных задач. Например, если разместить белковую пленку в составе слоистой воздушно-вакуумной системы, генератор сможет вырабатывать 1 киловатт на кубический метр, независимо от погодных условий, что может оказаться лучше по эффективности, чем солнечные панели, требующие значительного пространства и зависящие от доступного солнечного света на месте установки.
Термоядерная энергетика
Естественным термоядерным реактором является само Солнце, где постоянно происходит слияние заряженных атомных ядер, продуцируя огромное количество энергии. Для того чтобы воспроизвести подобные процессы на Земле, необходимо ускорение или нагрев атомных ядер. Однако возникает проблема, связанная с тем, что для этого требуется больше энергии, чем получается в процессе реакций.
Генератор NIF (National Ignition Facility) продемонстрировал рекордные 70% вырабатываемой энергии. Этот реактор фокусирует свет 192 импульсных лазеров на золотой мишени, окружающей капсулу со смесью дейтерия и трития. В течение нескольких наносекунд мишень испаряется, высвобождая рентгеновские лучи, которые облучают капсулу, превращая содержащуюся в ней смесь в плазму. Это приводит к слиянию атомных ядер.
NIF — это всего лишь один из типов термоядерного реактора. Более распространены так называемые токамаки — тороидальные камеры с магнитными катушками, которые удерживают плазму в магнитном поле, благодаря чему раскаленный материал не касается стенки реактора. Нагрев плазмы осуществляется через микроволновое излучение и омический нагрев, вызванный в нем протекающим током.
В мире насчитывается около 300 токамаков, крупнейшим из которых является проект ИТЭР, который всё еще строится. Ученые надеются, что этот реактор однажды сможет выделять в десять раз больше энергии, чем требуется для его работы.
ИТЭР еще далек от того, чтобы стать коммерческой моделью. Нейтроны будут проходить через обычные бетонные стены здания, и, следовательно, люди не смогут находиться внутри во время работы реактора. Виталий Красильников, принявший участие в проектировании токамака, предсказывает, что практическое использование термоядерного реактора можно ожидать не ранее 2050 года.
Тем не менее, эффективный термоядерный синтез может обеспечить человечество практически неограниченным количеством чистой энергии. Возможно, именно поэтому термоядерные реакторы попали в список самых перспективных технологий 2022 года по версии известного издания MIT Technology Review.
Пьезоэлектрические вирусы
Пьезоэлектрический эффект, то есть генерация электричества под воздействием механического давления, был открыт еще в девятнадцатом веке. Сегодня этот эффект используется в различных устройствах, таких как зажигалки, где при нажатии кнопки появляется искра.
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли выяснили, что пьезоэлектрический эффект также может быть использован для создания искры, и обнаружили его в органических соединениях с упорядоченной клеточной структурой. Кости и коллаген из хрящей и сухожилий обладали слабыми пьезоэлектрическими свойствами. Ученые предположили, что путем создания структуры из белков с пьезоэлектрическими качествами можно создать генетически модифицированную версию вируса M13.
Белковая оболочка этого безопасного вируса имеет такую структуру, что при механической деформации создается асимметрия распределения положительных и отрицательных зарядов на своей поверхности. Эта асимметрия приводит к возникновению электрического тока в проводнике, подключенном к краям пьезоэлектрического элемента.
Ученые создали тонкую пленку из раствора вирусных частиц и построили пьезоэлектрический генератор, состоящий из 20 слоев. Оказалось, что данное устройство генерирует напряжение, достаточное для питания ЖК-экрана.
Конечно, существуют более сложные пьезоэлектрические генераторы. Однако структура вирусов относительно легко модифицируется для улучшения осцилляторных свойств. Теоретически, такая разработка может быть использована в крупных городах, внедряя «вирусные» реакторы в дорожное покрытие: люди могли бы генерировать энергию с каждым шагом. Несмотря на то, что эти идеи звучат достаточно амбициозно, в своих исследованиях физики предлагают начать с использования технологии в подошвах обуви.
