Энергия будущего – Топ-10 источников энергии будущего

Топ-10 источников энергии будущего

Об отказе от добычи полезных ископаемых заговорили несколько десятилетий назад. Доступных запасов нефти, газа и угля землянам хватит ненадолго, поэтому надо повышать энергоэффективность. Еще одна причина — экологические проблемы, которые ощущают все жители планеты. Но для того, чтобы отказаться от классических источников энергии, необходимо найти им замену — если не более выгодную, то хотя бы сопоставимую по эффективности. Что предлагают ученые взамен газа, нефти и угля?

1. Космические солнечные станции собирают больше энергии светила, чем наземные

Экономически выгодное производство солнечной энергии — штука сложная,  так как из-за атмосферы Земли интенсивность солнечного освещения недостаточна. Один из вариантов решения проблемы — построить космические “солнечные фермы”, которые будут собирать излучение Солнца “в чистом виде” и передавать накопленную энергию на Землю при помощи лазерных лучей или микроволн. Проблема в цене — она превышает разумную. Но в будущем солнечные батареи будут эффективнее, цена вывода кораблей и грузов на орбиту уменьшится, и  “космические солнечные фермы” вполне смогут доставлять нам энергию. 

_{Схема, показывающая разницу в количестве лучей, попадающих на земную солнечную станцию (слева) и на космическую (справа).}

_{Источник: Chabacano, лицензия GFDL.}

_{Концепт станции, которая собирала бы энергию Солнца, авторства НАСА}

2. Энергия человека заряжает гаджеты 

Системы, которые можно зарядить с помощью силы мышц, уже существуют. Но человек производит огромное количество движений, которые — теоретически — можно было бы трансформировать в энергию. Условно говоря, сейчас вы водите пальцем по экрану смартфона “впустую” — а могли бы в процессе заряжать смартфон. Если девайс может посчитать количество шагов и реагировать на движение, почему его нельзя зарядить от движения пальцев? Ученые исследуют этот вопрос, но результатов или прототипов самозаряжающихся устройств пока нет.

3. Приливы — еще один источник энергии

В приливной энергетике работает сотня компаний, а энергия волн в некоторых регионах используют в практических целях. Так, в Австралии часть опреснительных установок полностью обеспечивают энергией за счет приливов и отливов.

4. Водород — дёшево и экологически чисто

Раньше шаттлы NASA заправлялись именно этим видом топлива. Проблема в том, что водород хоть самый распространенный элемент в космосе, на Земле есть только в виде соединений. А значит, для получения чистого элемента нужно потратить энергию. Зато после его можно “упаковать” в топливные ячейки и использовать по назначению. Honda, например, производит автомобили, которые передвигаются на энергии из таких “водородных ячеек”. Водородные заправки строят в Калифорнии (США), Южной Корее и Германии.

5. Геотермальная энергетика — энергия лавы

Благодаря лаве получают 27% энергии на Филиппинах и 30% энергии в Исландии. В Исландии же недавно открыли крутой источник геотермальной энергии — подземное магматическое озеро, и эффективность производства геотермальной энергии выросла в 10 раз.

Это выгодная система, но она слишком зависит от геологических особенностей территории. Магму, в отличие от газа или нефти, по трубопроводу не перекачаешь.

6. Ядерные отходы — старые урановые стержни можно использовать заново 

В конструкции “классической” атомной электростанции урановые стержни погружены в воду, а к концу срока их службы использованными оказываются только 5% атомов урана — остальные 95% отправляются в утиль с маркировкой “ядерные отходы”. Новая технология предполагает погружать стержни в жидкий натрий и позволит поменять соотношение использованных и неиспользованных ресурсов — 5% урана уйдет в отходы, а 95% превратятся в энергию. Причем в таких реакторах можно повторно использовать стержни, списанные с атомных электростанций предыдущего поколения. Компания Hitachi уже построила новые “быстрые реакторы” и продаёт их, но построить такую станцию очень дорого. К тому же мир все еще с опаской относится к атомным электростанциям — все помнят о нескольких крупных авариях, включая и катастрофу на Чернобыльской АЭС.

7. Прозрачные (оконные) солнечные батареи

Германия, где климат не слишком отличается от украинского, занимается производством солнечной энергии. Стоимость производства батарей падает, а эффективность и популярность растут. Тем более что ученые из Лос-Анжелеса придумали прозрачные солнечные батареи, которые монтируются прямо на оконное стекло. Технология дорогая, но в ближайшие 2-3 года подешевеет достаточно, чтобы предложение было экономически выгодным.

8. Биотопливо из водорослей

За 11 лет — с 2002 по 2013 год — производство биотоплива выросло примерно на 500%. Причина — потребность в этаноле (спирте) и биодизеле, которые добавляют к топливу. По задумке Генри Форда, изобретателя современного автомобиля, двигатель и должен был работать на этаноле. Но тогда как раз открыли много новых месторождений нефти, и она была очень дешёвой. Сейчас это не самый выгодный вид топлива, и этанол возвращается. Проблема “классического” биотоплива — этанола — в том, что для его производства используют то же сырье и те же земли, что и для выращивания пищевых культур. То есть энергетическая отрасль начинает конкурировать с пищевой.

Решить эту проблемы можно с помощью водорослей. Неприхотливые, быстрорастущие, позволяющие легко добывать необходимые компоненты, а “сухой остаток” пускать в переработку и использовать для выращивания нового урожая водорослей.

9. Летающие ветряки — перерождение старой технологии

Использование энергии ветра — классическая технология. Но её эффективность можно существенно увеличить, а энергию добывать по всему миру, а не только в регионах с благоприятным рельефом. Для того, чтобы “ветряные мельницы” были эффективными, нужна значительная сила ветра. А решается проблема просто: достаточно поднять ветряную турбину на 300-600 метров над уровнем моря, где потоки воздуха сильнее и стабильнее. Первые “летающие ветряки” установят на Аляске. Конструктивно это дирижабль со смонтированной турбиной. При слишком сильном ветре такой ветряк самостоятельно “паркуется” на земле. А автоматика позволит ей выбирать оптимальное положение в пространстве.

10. Термоядерный синтез — источник почти бесконечной энергии

Ядерный синтез безопасен, так как, в отличие от ядерного реактора, он соединят атомы, а не расщепляет их. Существует международный проект по разработке термоядерного реактора — ITER, к которому подключились страны ЕС (официально заявленные как единое целое в рамках данного проекта), а также Китай, Индия, Россия, Республика Корея, США, Казахстан и Япония. Проект существует уже 25 лет, инженерная разработка технической конструкции реактора давно завершена. В 2013 году его начали строить во Франции. К 2020 ученые планируют начать первые эксперименты с плазмой.

Параллельно некоторые коммерческие организации ведут собственные исследования в том же направлении. В случае успеха мир будет обеспечен дешевой и практически бесконечной энергией.

via

businessviews.com.ua

5 источников энергии, которые заменят нефть

Электричество из волн

Идея использовать волнение моря для получения энергии не то чтобы нова: заявка на патент волновой мельницы была подана аж в 1799 году. В конце XIX века кинетическую энергию волн научились преобразовывать в электричество — и только в 2008-м в Португалии была запущена первая волновая электростанция. Мощность ее была невелика — всего 2,25 МВт, — но зато потенциал волновой энергетики был оценен по достоинству, и теперь аналогичные проекты создаются в десятке стран, включая Россию.

По подсчетам ученых, в перспективе волновая энергетика окажется выгоднее, чем ветровая (удельная мощность волн на порядок превышает удельную мощность ветра), а прилегающие к морям страны смогут генерировать до 5% электроэнергии за счет волн.

Энергия вирусов

Представь себе, вирусы — микроскопические вредители, которые переносят болезни, — могут быть неплохим источником энергии. Приспособить их для такого использования удалось ученым Национальной лаборатории имени Лоуренса (США). Модифицированный ими вирус-бактериофаг под названием M13 создает электрический заряд при прикосновении к «инфицированной» им поверхности. Иными словами, чтобы получить от него электричество, достаточно провести пальцем, например, по экрану смартфона — делов-то! Правда, максимальный заряд, которого ученым удалось добиться от M13, составлял четверть батарейки AAA. Впрочем, это был лишь первый прорыв в микроэнергетике: ученые полагают, что ее потенциал значительно больше.

Биотопливо из водорослей

Другим не менее изобретательным решением стало использование водной растительности в качестве топлива. Получаемая таким образом энергия едва ли сравнится по объемам с энергией, получаемой от добычи нефти и газа, — зато сможет решить проблему загрязнения водоемов, с каждым годом встающую в ряде стран все острее. Скажем, в Японии. Правительство страны ежегодно выделяет немалые суммы на очистку берегов от водорослей — их переработка позволит хотя бы отбить затраченные средства.

Как водоросли превращаются в топливо? Первым делом собранную растительность помещают в резервуар. Потом при помощи специальных бактерий в нем запускается процесс брожения. При брожении выделяется метан, который в итоге и направляется в электрический генератор.

Как ты понимаешь, получаемой из водорослей энергии недостаточно, чтобы пытаться обеспечить ей жилые дома, — однако она в разы превосходит энергию всех прочих источников биологического топлива и сравнительно просто добывается. А значит, к ней будут обращаться все чаще.

Энергетический потенциал Мирового океана

Волновая энергетика и водоросли лишь часть источников энергии, доступных благодаря океану. Остальные менее популярны — но не менее перспективны:

Энергия приливов. Для ее получения используются приливные электростанции. Подобные установки существуют уже в десятке стран, включая Россию. По подсчетам ученых, данный источник немногим уступает волновой энергетике.  

Энергия течений. Представляешь, сколько энергии мог бы вырабатывать, скажем, Гольфстрим? И не пытайся: много. Пока что разработкой этого направления занимаются Великобритания и США. В Штатах, кстати, уже разработана турбина мощностью 400 кВт.

Энергия температурного градиента морской воды. Или попросту энергия, полученная из разницы между температурой воды на поверхности и на глубине. Сравнительно новый источник, исследуемый главным образом США. Потенциал пока не вполне изучен.

Осмотическая энергия. Называемая также энергией диффузии жидкостей, она получается в местах смешивания соленой и пресной воды. Единственная на данный момент подобная электростанция построена в Норвегии.

Не стоит забывать и про так называемую энергию водного потока. Ничего нового: именно ее выработкой занимаются известные тебе гидроэлектростанции.

Энергия земных недр

Нефть и газ не единственное, зачем стоит бурить землю: геотермальная энергия, или энергия земных недр, однажды сможет составить им конкуренцию. Для ее получения используются геотермальные станции. Устанавливаемые вблизи вулканов, такие установки успешно снабжают энергией Исландию, Японию, Индонезию и ряд других стран. При этом сама магма ими не используется: энергию дает кипящая вода вроде той, что вырывается на поверхность в гейзерах.

Энергетический потенциал недр не так высок, как у вышеперечисленных источников. Зато этот вид энергии подходит странам, лишенным выхода к морю.

Термоядерная энергия

Сколько бы альтернативная энергетика ни использовала естественные процессы, происходящие на планете, самый мощный источник энергии будет полностью рукотворным. Им станет ITER — Международный экспериментальный термоядерный реактор, способный воссоздавать процессы, происходящие внутри звезд.

Первоначально запуск ITER планировался на 2016 год, однако теперь сроки сдвинулись к началу 30-х. Более того, подключить установку к энергетической сети удастся от силы к 2040-му. Впрочем, результат стоит ожиданий: выделяемой при термоядерном синтезе энергии должно хватить на несколько стран.

mhealth.ru

7 невероятных источников энергии будущего – Вести Экономика, 26.11.2014

Согласно последнему отчету Межправительственного совета по борьбе с изменением климата ООН, который был опубликован в ноябре, складывается очень серьезная ситуация. Научное сообщество уже давно призывает правительства к тому, чтобы те приняли меры по сокращению выбросов парниковых газов.

На фоне этих “страшилок” ученые и крупнейшие компании из рейтинга Fortune 500 работают над созданием возможных решений этой проблемы. Некоторые из них кажутся научной фантастикой, но ни одно из них не является панацеей.

А вот список инноваций, которые обещают великое будущее энергетике.

1. Улавливание и удаление углерода

Конечно, это не та технология, которая может способствовать развитию энергетики, однако эта технология может сработать через несколько лет проб и ошибок.

Технология заключается в удалении углерода с электростанций, работающих на угле, чтобы потом хранить его в подземных хранилищах.

Пилотная демонстрация технологии, которая была проведена на ЭС Австралии и США, вызвала новый прилив интереса к этой технологии.

2. Атомная энергетика нового поколения

Считалось, что атомная энергетика работает на основе безопасных технологий, до тех пор пока не случилась авария на АЭС “Фукусима” в 2011 г.

Новые идеи для атомной энергетики заключаются в строительстве небольших атомных реакторов. Атомные станции размером с небольшой склад могут использоваться для того, чтобы обеспечивать электроэнергией небольшие районы вместо огромных мегаполисов.

Дизайн некоторых реакторов включает механизмы пассивной безопасности, которые снижают вероятность выхода радиации, как это было в случае с Японией. Кроме того, разрабатываются планы плавучих АЭС с использованием плавучих платформ, которые уже используются в газовой и нефтяной промышленности.

3. Ядерный синтез

Если и есть Священный Грааль экологически чистой электрогенерации, то это ядерный синтез, который обещает безграничную безуглеродную электроэнергию без выброса опасных ядерных отходов.

При этом с помощью ядерного синтеза можно получить огромное количество энергии без какого-либо значительного эффекта на окружающую среду.

И хотя для развития технологии потребуется еще много времени, сейчас идут активные работы в этой области.

4. Морской ветер

Считается, что технология использования морского ветра станет массовой приблизительно через 25 лет, так как идет активное заимствование технологий из аэронавтики, с помощью которых можно извлечь максимальное количество энергии морского ветра.

Особенно активно этот процесс идет в странах вроде Дании, где на энергию ветра приходится третья часть элекроэнергии страны, а к 2020 г. по прогнозам ее доля достигнет 50%.

5. Геотермальная энергия

Многие аналитики полагают, что геотермальная энергия в ближайшие десятилетия будет активно развиваться, так как ученые найдут конкурентоспособный метод использования геотермальной энергии.

В таких странах, как Исландия, ученые потратили несколько лет на бурение напрямую в вулканы, чтобы получить доступ к запасам горячей воды и магмы, при этом намереваясь развивать эти ресурсы и превратить их в более продуктивные геотермальные электростанции.

Их цель – развивать новейшие технологии, которые уже в следующем десятилетии можно будет экспортировать.

6. Космические технологии

Космические технологии в области электроэнергетики пока остаются областью научной фантастики.

Однако NASA и U.S. Naval Research Lab уже инвестируют в развитие технологии, которая через 25 лет может быть введена в коммерческое обращение.

7. Солнечное топливо

Идея превратить солнечный свет, воду и углекислый газ в химическую энергию, которую можно использовать и хранить, как бензин, в течение длительного срока, давно была манящей целью для ученых.

Конечно, наука еще не достигла таких высот, однако ученые из Гарвардского университета, Массачусетского технологического института и Исследовательского центра в Северной Каролине за последнее десятилетие уже добились некоторого прогресса.

www.vestifinance.ru

Есть ли будущее у альтернативных источников энергии для частного дома

Наверное, практически каждый человек на Земле хоть раз вступал в обсуждение альтернативной энергии будущего, задаваясь вопросом, есть ли в этом смысл, и стоит ли оно того. Вести полемику на данную тематику можно бесконечно долго. Сейчас разработки проектов альтернативной энергии будущего набирают все больше оборотов.  Человечество стремится к более комфортной и безопасной жизни. И ее обеспечение требует постоянных изменений, открытий и инноваций. Мы хотим жить в прогрессивном мире, при этом, нанося как можно меньший урон окружающей среде, сохраняя и грамотно используя всевозможные ресурсы.

Альтернативные источники энергии будущего – сказка или реальность?

Альтернативная и свободная энергия будущего — звучит ли это как атрибут фантастических произведений, или же это абсолютно реальная и достижимая цель ближайших лет? Человечество занимается исследованиями и разработками практически все время своего существования. Начиная от изобретения колеса, продолжая электричеством и подходя к использованию энергии атома, люди не перестают искать, создавать и воплощать в жизнь все новые и новые устройства, методы исследования и способы функционирования. Жить комфортно и легко – вот главная цель всех этих нововведений и инноваций.

Одним из таких направлений, способных значительно изменить жизнь человека, является развитие энергетики будущего. Многие источники уже используются достаточно активно, некоторые лишь входят во всеобщий обиход, другие находятся пока только на стадии разработок.

Что мы знаем об альтернативные источники энергии будущего?

• Гелиоэнергетика.

Солнечными батареями сейчас вряд ли кого-то можно поистине удивить. В нынешнее время данный ресурс используется достаточно активно, пусть и не повсеместно. Механизм работы такого оборудования достаточно прост, но его цена все же не позволяет использовать подобный вид автономного обеспечения энергией любому человеку.

Также климатические условия играют огромную роль в продуктивности солнечных батарей. Ведь в широтах, где больший период года холодный и пасмурный, подобное оснащение будет менее действенным, чем в жарких и солнечных краях.

• Ветровые электростанции.

Еще один достаточно популярный источник альтернативной энергии – это ветер. Подобные электростанции часто встречаются в сельских районах и зачастую расположены в районе полей, на равнинах. Выработок электричества осуществляется посредством преобразования механической энергии в электрическую. Это происходят благодаря специальным генераторам. Лопасти ветряков вращаются, получая энергию ветра, после чего она перерабатывается в используемое нами электричество.

К сожалению, стоимость данного оборудования не является общедоступной, а климатические условия также играют решающую роль.

• Энергия геотермальных источников.

Следующий вид энергетических ресурсов не столь широко известен, как два предыдущих. Тем не менее, он также имеет место быть. Пар из горячих источников – это еще один вариант обеспечения альтернативного автономного питания. Принцип работы оснащения для получения такой энергии заключается в том, что турбины приводятся в движение паром, после чего начинают функционировать электрогенераторы.

Этот метод не может быть широко распространенным, так как его работа обеспечивается только при наличии геотермальных источников.

• Энергия приливов и отливов.

В местности, где есть выход к морю или океану успешно используется энергия воды. Во время приливов и отливов механическая сила воды приводит в работу специальные турбины, установленные на станции. После чего она преображается в электроэнергию.

Подобные электростанции не так распространены. Не всегда они могут достаточно хорошо окупаться, и в некоторых случаях характеризуются невысокой эффективностью.

Может ли быть альтернативная энергия эффективной для частного дома?

Если рассматривать вышеперечисленные энергетические ресурсы, то они зачастую используются в промышленных масштабах для выработки большого количества энергии, способной обеспечить работу целого предприятия или небольшой населенный пункт. Но есть ли возможность подобрать альтернативные источники энергии для дома, чтобы удовлетворять потребности, к примеру, одного конкретного участка?

Ответ на этот вопрос – бесспорно да! Если грамотно рассчитать необходимое количество тепловой или электрической энергии, то можно найти способ обеспечения данной потребности посредством автономных источников.

Какие ресурсы могут использоваться в таком случае?

• Источниками электроэнергии могут быть фотомодули или же ветрогенераторы. Выбирая то или иное оборудование очень важно оценить климат в местности, где предполагается установка. Также расчёт необходимого количества оснащение для удовлетворения энергетических потребностей. А также, каким образом будет регулироваться работа самих устройств.
• Что касается обеспечения тепловой энергией здесь стоит обратить внимание на солнечные коллекторы или же котлы, работающие на твердом топливе. В данном случае, выбирая второй вариант, вам следует позаботиться о наличии топлива. Что же касается коллектора, то его продуктивность будет меняться с приходом того или иного времени года. В таком случае выработка тепла будет неоднородной в течение года.

Таким образом, мы видим, что альтернативные источники энергии для частного дома могут быть доступны и эффективны. Тем не менее, для этого нужно грамотно провести все предварительные исследования местности, оценку энергопотребления, анализ продуктивности того или иного ресурса и подбор наиболее подходящего по всем пунктам и параметрам оборудования. При этом, вложенные средства принесут пользу и окупятся только в случае правильного и целесообразного использование оснащения.

Какое будущее у альтернативной энергии, и есть ли оно?

Конечно же, высокая стоимость оборудования и привязанность к климатическим условиям немного замедляет более широкое внедрение возобновляемых энергоресурсов. Тем не менее, прогресс у данной сферы наблюдается, при чем, весьма стремительный даже с учетом определенных неудобств и затруднений на первых этапах.

Отвечая на вопрос, «Есть ли будущее у альтернативных источников энергии?», можно с уверенностью сказать, что оно существует. Важно заметить, что данная сфера включает в себя не только развитие новых ресурсов, но и оптимизацию уже имеющегося потенциала. Выработка энергии процесс во многом не простой и требует больших вложений и усилий. Поэтому помимо внедрения альтернативной энергии для дома или производства, уделяется огромное внимание реконструированию старой системы энерговыработки и снабжения.

Существуют разные мнения касательно развития энергетики в стране. Кто-то видит, что альтернативные ресурсы будут все более и более применимы в будущем, другие же придерживаются мнения, что проверенные и опробованные источники являются более надежными и выгодными. Здравая нотка есть в обеих позициях, так как плюсы и минусы, выгодные и невыгодные стороны встречаются в любой сфере. Поэтому, следует заметить, что наиболее грамотным решением будет совокупное и оптимизированное использование, как инновационных методов, так и проверенных временем и зарекомендовавших себя ресурсов.

altenergiya.ru

Источники энергии будущего

Наверх

• Рейтинги
• Обзоры
  • Смартфоны и планшеты
  • Компьютеры и ноутбуки
  • Комплектующие
  • Периферия
  • Фото и видео
  • Аксессуары
  • ТВ и аудио
  • Техника для дома
  • Программы и приложения
• Новости
• Советы
  • Покупка
  • Эксплуатация
  • Ремонт
• Подборки
  • Смартфоны и планшеты
  • Компьютеры
  • Аксессуары

ichip.ru

традиционная и альтернативная. Энергия будущего

Все существующие направления энергетики можно условно разделить на зрелые, развивающиеся и находящиеся в стадии теоретической проработки. Одни технологии доступны для реализации даже в условиях частного хозяйства, а другие могут использоваться только в рамках промышленного обеспечения. Рассматривать и оценивать современные виды энергетики можно с разных позиций, однако принципиальное значение имеют универсальные критерии экономической целесообразности и производственной эффективности. Во многом по этим параметрам сегодня расходятся концепции применения традиционных и альтернативных технологий генерации энергии.

Традиционная энергетика

Это широкий пласт сформировавшихся отраслей тепло- и электроэнергетики, обеспечивающей порядка 95% мировых потребителей энергии. Генерация ресурса происходит на специальных станциях – это объекты ТЭС, ГЭС, АЭС и т. д. Они работают с готовой сырьевой базой, в процессе переработки которой происходит выработка целевой энергии. Выделяют следующие стадии производства энергии:

• Изготовление, подготовка и доставка исходного сырья на объект выработки того или иного вида энергии. Это могут быть процессы добычи и обогащения топлива, сжигание нефтепродуктов и т. д.
• Передача сырья к узлам и агрегатам, непосредственно преобразующим энергию.
• Процессы преобразования энергии из первичной во вторичную. Эти циклы присутствуют не на всех станциях, но, к примеру, для удобства доставки и последующего распределения энергии могут использоваться разные ее формы – в основном тепло и электричество.
• Обслуживание готовой преобразованной энергии, ее передача и распределение.

На завершающем этапе ресурс отправляется конечным потребителям, в качестве которых могут выступать и отрасли народного хозяйства, и рядовые домовладельцы.

Тепловая электроэнергетика

Самая распространенная отрасль энергетики в России. Тепловые электростанции в стране производят более 1000 МВт, используя в качестве перерабатываемого сырья уголь, газ, нефтепродукты, сланцевые залежи и торф. Вырабатываемая первичная энергия в дальнейшем преобразуется в электричество. Технологически у таких станций масса преимуществ, которые и обуславливают их популярность. К ним можно отнести нетребовательность к условиям эксплуатации и легкость технической организации рабочего процесса.

Объекты тепловой энергетики в виде конденсационных сооружений и теплоэлектроцентралей могут возводиться прямо в районах добычи расходного ресурса или местах нахождения потребителя. Сезонные колебания никак не влияют на стабильность функционирования станций, что делает такие источники энергии надежными. Но есть и недостатки у ТЭС, к которым можно отнести применение исчерпаемых топливных ресурсов, загрязнение окружающей среды, необходимость подключения больших объемов трудовых ресурсов и др.

Гидроэнергетика

Гидротехнические сооружения в виде энергетических подстанций предназначены для выработки электричества в результате преобразования энергии потока воды. То есть, технологический процесс генерации обеспечивается сочетанием искусственных и природных явлений. В ходе работы станция создает достаточный напор воды, которая в дальнейшем направляется к турбинным лопастям и активизирует электрогенераторы. Гидрологические виды энергетики различаются по типу используемых агрегатов, конфигурации взаимодействия оборудования с естественными потоками воды и т. д. По рабочим показателям можно выделить следующие разновидности гидростанций:

• Малые – вырабатывают до 5 МВт.
• Средние – до 25 МВт.
• Мощные – более 25 МВт.

Также применяется классификация в зависимости от силы напора воды:

• Низконапорные станции – до 25 м.
• Средненапорные – от 25 м.
• Высоконапорные – выше 60 м.

К достоинствам гидроэлектростанций относят экологическую чистоту, экономическую доступность (бесплатная энергия), неисчерпаемость рабочего ресурса. В то же время гидротехнические сооружения требуют больших начальных затрат на техническую организацию аккумулирующей инфраструктуры, а также имеют ограничения по географическому размещению станций – только там, где реки обеспечивают достаточный напор воды.

Атомная энергетика

В некотором смысле это подвид тепловой энергетики, но практически производственные показатели работы ядерных станций на порядок выше ТЭС. В России используют полные циклы выработки атомной электроэнергии, что позволяет генерировать большие объемы энергетического ресурса, но имеют место и огромные риски использования технологий обработки урановой руды. Обсуждением вопросов безопасности и популяризации задач данной отрасли, в частности, занимается АНО «Информационный центр атомной энергетики», имеющий представительства в 17 регионах России.

Ключевую роль в исполнении процессов генерации ядерной энергии играет реактор. Это агрегат, предназначенный для поддержания реакций деления атомов, которые, в свою очередь, сопровождаются выделением тепловой энергии. Существуют разные типы реакторов, отличающиеся применяемым видом топлива и теплоносителем. Чаще используется конфигурация с легководным реактором, использующим в качестве теплоносителя обычную воду. Основным ресурсом переработки в ядерной атомной энергетике выступает урановая руда. По этой причине АЭС обычно проектируются с расчетом на размещение реакторов вблизи от месторождений урана. На сегодняшний день в России действует 37 реакторов, совокупная мощность выработки которых составляет около 190 млрд кВт*ч/год.

Характеристика альтернативной энергетики

Практически все источники альтернативной энергии выгодно отличаются финансовой доступностью и экологической чистотой. По сути, в данном случае происходит замена перерабатываемого ресурса (нефти, газа, угля и т. д.) на природную энергию. Это может быть солнечный свет, потоки ветра, тепло земли и другие естественные источники энергии за исключением гидрологических ресурсов, которые сегодня рассматриваются как традиционные. Концепции альтернативной энергетики существуют давно, однако по сей день они занимают небольшую долю в общем мировом энергообеспечении. Задержки в развитии данных отраслей связаны с проблемами технологической организации процессов выработки электричества.

Но чем обусловлено активное развитие альтернативной энергетики в наши дни? В немалой степени необходимостью снижения темпов загрязнения окружающей среды и в целом проблемами экологии. Также в скором будущем человечество может столкнуться с истощением традиционных ресурсов, используемых в производстве энергии. Поэтому, даже несмотря на организационные и экономические препятствия, все больше внимания уделяется проектам развития альтернативных форм энергетики.

Геотермальная энергетика

Один из самых распространенных способов получения энергии в бытовых условиях. Геотермальная энергия вырабатывается в процессе аккумуляции, передачи и преобразования внутреннего тепла Земли. В промышленных масштабах обслуживаются подземные породы на глубинах до 2-3 км, где температура может превышать 100°С. Что касается индивидуального применения геотермальных систем, то чаще задействуются поверхностные аккумуляторы, располагаемые не в скважинах на глубине, а горизонтально. В отличие от других подходов к выработке альтернативной энергии, практически все геотермальные виды энергетики в производственном цикле обходятся без этапа преобразования. То есть первичная тепловая энергия в этой же форме и поставляется конечному потребителю. Поэтому используется такое понятие, как геотермальные системы отопления.

Солнечная энергетика

Одна из старейших концепций альтернативной энергетики, задействующая в качестве аккумулятивного оборудования фотоэлектрические и термодинамические системы. Для реализации фотоэлектрического метода генерации используют преобразователи энергии световых фотонов (квантов) в электричество. Термодинамические установки более функциональны и за счет солнечных потоков могут вырабатывать как тепло с электричеством, так и механическую энергию для создания приводного усилия.

Схемы достаточно простые, но есть немало проблем при эксплуатации такого оборудования. Связано это с тем, что солнечная энергетика в принципе характеризуется целым рядом особенностей: нестабильностью из-за суточных и сезонных колебаний, зависимостью от погоды, низкой плотностью потоков света. Поэтому на этапе проектирования солнечных батарей и аккумуляторов много внимания уделяется исследованию метеорологических факторов.

Волновая энергетика

Процесс выработки электричества из волн происходит в результате преобразования энергии прилива. В основе большинства электростанций такого типа находится бассейн, который организуется или в ходе отделения устья реки, или за счет перекрытия залива плотиной. В образованном барьере устраиваются водопропускные отверстия с гидротурбинами. По мере изменения уровня воды во время приливов происходит вращения турбинных лопастей, что и способствует выработке электричества. Отчасти этот вид энергетики схож с принципами работы гидроэлектростанциями, но сама механика взаимодействия с водным ресурсом имеет существенные отличия. Волновые станции могут использоваться на побережьях морей и океанов, где уровень воды поднимается до 4 м, позволяя вырабатывать мощность до 80 кВт/м. Недостаток таких сооружений связан с тем, что водопропускные сооружения нарушают обмен пресной и морской воды, а это негативно сказывается на жизни морских организмов.

Ветровая энергетика

Еще один доступный для применения в частном хозяйстве способ получения электричества, отличающийся технологической простотой и экономической доступностью. В качестве обрабатываемого ресурса выступает кинетическая энергия воздушных масс, а роль аккумулятора выполняет двигатель с вращающимися лопастями. Обычно в ветровой энергетике применяют генераторы электрического тока, которые активизируются в результате вращения вертикальных или горизонтальных роторов с пропеллерами. Средняя бытовая станция такого типа способна генерировать 2-3 кВт.

Энергетические технологии будущего

По оценкам экспертов, к 2100 г совокупная доля угля и нефти в мировом балансе составит около 3%, что должно отодвинуть термоядерную энергетику на роль второстепенного источника энергетических ресурсов. На первое же место должны встать солнечные станции, а также новые концепции преобразования космической энергии, основанной на беспроводных каналах передачи. Процессы становления энергии будущего должны начаться уже к 2030 г., когда наступит период отказа от углеводородных источников топлива и перехода к «чистым» и возобновляемым ресурсам.

Перспективы российской энергетики

Будущее отечественной энергетики преимущественно связывается с развитием традиционных способов преобразования природных ресурсов. Ключевое место в отрасли должна будет занять ядерная энергетика, но в комбинированном варианте. Инфраструктуру атомных станций должны будут дополнять элементы гидротехники и средства переработки экологически чистого биотоплива. Не последнее место в возможных перспективах развития отводится и солнечным батареям. В России и сегодня этот сегмент предлагает немало привлекательных идей – в частности, панели, которые могут работать даже в зимнее время. Аккумуляторы преобразуют энергию света как такового даже без тепловой нагрузки.

Заключение

Современные проблемы энергетического обеспечения ставят крупнейшие государства перед выбором между мощностью и экологической чистотой выработки тепла и электричества. Большинство освоенных альтернативных источников энергии при всех своих плюсах не способны в полной мере заменить традиционные ресурсы, которые, в свою очередь, могут использоваться еще несколько десятилетий. Поэтому энергию будущего многие специалисты представляют как некий симбиоз различных концепций генерации энергоресурсов. Причем новые технологии ожидаются не только на промышленном уровне, но и в бытовом хозяйстве. В этой связи можно отметить градиент-температурные и биомассовые принципы энергетической выработки.

fb.ru

Термоядерный синтез: энергия будущего

Солнце — это раскаленный газовый шар, который каждую секунду выделяет столько энергии — сколько человечеству хватило бы на миллион лет. Такой невероятный объем энергии высвобождается благодаря термоядерному синтезу и ядерным реакциям, которые происходят в его недрах уже около 5 миллиардов лет.

Что такое термоядерный синтез?

Термоядерный синтез — это процесс, в котором ядра легких атомов сливаются друг с другом образуя более тяжелые атомы. Это слияние сопровождается выделением большого количества энергии.

Еще в середине 20 века человечество хотело приручить этот источник энергии, воспроизведя технологию работы нашего Солнца. Говоря простым языком, для этого требовалось нагреть смесь определенных веществ (например, дейтерий и тритий) до температуры в 50 миллионов градусов и выше, тем самым превратив их в плазму. Такая высокая температура способна сильно разогнать легкие атомы, чтобы те преодолели «Кулоновский барьер» и сблизились на расстояние, достаточное для возникновения термоядерной реакции.

Прошло уже более 60 лет, с тех пор как впервые был применен термоядерный синтез, но мы так и не научились контролировать эту реакцию, чтобы получать из нее необходимые нам блага в виде энергии и отказаться от источников, загрязняющих нашу планету. К числу подобных источников можно отнести и современную атомную энергетику, использующую ядерную реакцию деления.

Основные опасения, по поводу современной ядерной энергетики, породили аварии в Чернобыле в 1986 году и на Фукусиме в 2011 году. В частности, катастрофа на Фукусиме разрушила миф об энергетических реакторах с нулевым риском. Но кроме значительных рисков для безопасности, эти реакторы также имеют проблемы с утилизацией отходов и перекачивают огромное количество воды. Другой важный момент заключается в том, что основным источником топлива для современных атомных реакторов служит Уран-235, запасов которого вряд ли хватит на ближайшее столетие. Именно поэтому будущее, с развитой термоядерной энергетикой, выглядит таким привлекательным.

Схема работы АЭС на двухконтурном водо-водяном ядерном реакторе, который использует реакцию распада

Однако, в отличии от ядерной реакции деления, которая используется в современных атомных станциях, ядерный синтез оказался крепким орешком. Много десятилетий ученые со всего мира ломают головы разрабатывая технологии, для получения стабильной и безопасной реакции. Было придумано несколько видов реакторов, но ни один из них не годится для практического применения.

Термоядерный реактор

Дейтерий (²H) и тритий (³H) — это изотопы первого и самого легкого химического элемента — водорода, именно их комбинация зарекомендовала себя на роль источника энергии будущего (рассматриваются и другие типы реакций). При каждом слиянии дейтерия и трития образуется нейтрон и ядро гелия, а также 17,6 МэВ энергии.

Слияние дейтерий — тритий
Wikimedia

Если сравнить термоядерный и ядерный реактор, то из одного килограмма исходной смеси в термоядерном реакторе будет производиться в три раза больше энергии, чем в ядерном. Для сравнения с другими источниками энергии, представьте, что 86 грамм дейтерий тритиевой смеси производит такое же количество энергии, как при сжигании 1000 тонн угля.

Но как упоминалось выше, чтобы пользоваться этой энергией, нужно разработать реактор, который бы работал стабильно и безопасно. Однако это не простая задача, потому что для удержания невероятно горячей плазмы, нужно было создать особый сосуд.

Токамак

Первое в мире устройство типа токамак: отечественный Токамак Т1 в Курчатовском институте в Москве. Плазма в диапазоне 0,4 кубометра была получена в медном вакуумном сосуде

Советские ученые предложили идею магнитного удержания плазмы в 1950, а уже в 1958 году была построена первая в мире экспериментальная термоядерная установка — «Токамак Т1». Конструкция подразумевает тороидальную камеру с магнитными катушками, в которой плазма удерживается не стенками камеры, а специально создаваемым комбинированным магнитным полем — тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающим по плазменному шнуру. Концепция получилась весьма успешной, что привело к постройке порядка 300 токамаков по всему миру.

Французкий токамак Tore Supra во время апргрейда в диверторную конфигурацию

Однако из-за того, что полностью контролировать поведение плазмы ученым пока не удается — выход энергии при термоядерном синтезе получается нестабильным и неоднородным. Даже такой тугоплавкий метал, как вольфрам не выдерживает нагрузку, которую создают потоки плазмы в экспериментах, а это приводит к целому ряду дополнительных проблем, одна из них — разрушение первой стенки в токамаках.

Стелларатор

Квазисимметричный стелларатор HSX, США

Стелларатор отличается от токамака тем, что магнитное поле для изоляции плазмы от внутренних стенок тороидальной камеры полностью создаётся внешними катушками, позволяя использовать его в непрерывном режиме. Его силовые линии подвергаются вращательному преобразованию, в результате которого эти линии многократно обходят вдоль тора и образуют систему замкнутых вложенных друг в друга тороидальных магнитных поверхностей.

Сама концепция стеллараторов возникла в середине 20 века, но существенный прогресс в их улучшении был достигнут в начале 21 века благодаря развитию компьютерных технологий, а в частности, графических программ.

В то время как токамак работает в импульсном режиме (из-за того, что там происходят срывы плазмы), стелларатор является стационарной машиной (теоретически), при условии, что там удастся реализовать стеллараторную конфигурацию.

Основным недостатком стеллараторов является их малоизученность в действии. Конструкция стелларатора оказалась настолько сложной, что уровень развития техники долгое время не позволял его построить. Не удивительно, что изучение термоядерного синтеза на стеллараторах было заброшено, в то время, как на токамаках оно не останавливалось. Вероятно, по этой причине самый масштабный проект в данной области — ITER (ИТЭР) взял за свою основу токамак, а не стелларатор.

Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER (ИТЭР)

ИТЭР — это международный мегапроект по исследованию термоядерного синтеза, который станет самым гигантским термоядерным реактором за всю историю человечества. В его постройке участвует 35 стран, так как, еще в середине семидесятых стало ясно, что одна страна вряд ли способна решить эту проблему.

Для размещения гигантского реактора предлагались разные площадки, но в итоге «стройку века» было решено начать на юге Франции. Строительство стартовало в 2007 году, но с тех пор ИТЭР столкнулся с техническими задержками, отставанием от графика, сменой руководства и увеличением расходов, которые выросли с первоначальной оценки в пять миллиардов евро до примерно 20 миллиардов евро.

Но это не удивительно, ведь это самый дорогой и масштабный научный проект за который взялось человечество. Согласно расчетам, весить он будет как три Эйфелевых башни — 23 000 тонн, диаметр самого реактора будет достигать 20 метров в ширину и 60 метров в высоту. Объем плазмы, которую ученые планируют получать на этой установке оценивается в 840 кубических метров, что в 10 раз больше, чем на самом большом и современном токамаке, имеющемся сейчас. Термоядерная реакция в недрах токамака ИТЭР будет происходить при немыслимых 150 миллионов градусов Цельсия.

Чтобы удерживать такой объем плазмы, магнитное поле на ИТЭР будет приблизительно в 200 раз больше, чем у Земли. Таких показателей удастся достичь используя несколько сотен тонн сверхпроводников. Как уже можно понять, это ноу-хау будет использовать все передовые технологии и последние наработки достигнутые человечеством в науке.

Однако какие бы усилия не были задействованы для строительства ИТЭР, этот реактор является лишь первым шагом в термоядерное будущее. Основная причина его создания состоит в изучении поведения плазмы на сверхвысоких термоядерных температурах, и только если испытания пройдут успешно, то начнется строительство первого демонстрационного реактора. На текущий момент проект ИТЭР завершен приблизительно на 70%.

Другие разработки

Токамаки и стеллараторы не единственные в своем роде. Кроме них есть еще несколько направлений, в которых ведутся исследования термоядерного синтеза. Коротко опишем некоторые из них.

Инерциальный термоядерный синтез (ICF) — это тип исследований, посвященный изучению термоядерного синтеза, в котором предпринимаются попытки инициировать реакции слияния путем нагревания и сжатия топливной мишени (обычно в форме таблетки), которая чаще всего содержит смесь дейтерия и трития. Типичные топливные таблетки имеют размер булавочной головки и содержат около 10 миллиграммов топлива. Чаще всего, в системах ICF используется один лазер, луч которого разделяется на несколько потоков, которые впоследствии индивидуально усиливаются в триллион раз или более. Одна из последних ICF установок строится во Франции и называется Laser Mégajoule.

Магнитоинерциальное слияние (MIF) описывает класс термоядерных устройств, которые сочетают в себе аспекты термоядерного синтеза и инерциального термоядерного синтеза (ICF) в попытке снизить стоимость термоядерных устройств.

Слияние намагниченных мишеней (MTF) — это концепция термоядерного синтеза, которая сочетает в себе особенности синтеза с магнитным удержанием и синтеза с инерционным удержанием (ICF). Подобно магнитному подходу, термоядерное топливо при более низкой плотности ограничено магнитными полями и нагревается до состояния плазмы. Как и в случае инерционного подхода, плавление инициируется быстрым сжатием цели, что значительно увеличивает плотность топлива и температуру.

Пузырьковый синтез (соносинтез) — это реакция ядерного синтеза, предположительно происходящая внутри чрезвычайно больших коллапсирующих пузырьков газа, созданных в жидкости во время акустической кавитации. Исследования в данной области были окружены противоречиями, включая утверждения, что они являются мошенничеством (это привело к применению санкций в отношении Университета Пердью и некоторых его сотрудников).

В заключение

Как только термоядерные реакторы станут реальностью, они абсолютно изменят глобальный энергетический баланс, который заложит основу для революции в области чистой энергии. Будучи источником неопасной и не нуждающейся в углероде энергии, не производящим долгоживущих радиоактивных отходов, термоядерный синтез в конечном итоге приведет к устареванию электростанций, работающих на ископаемом топливе, и ядерных установок на основе урана. Он станет источником, который сможет дать нам стабильную энергию в почти неограниченных масштабах.

sci-news.ru