Альтернативная энергия. Краткий обзор основных видов альтернативной электроэнергетики

Украшаем праздник

Когда говорят об альтернативной энергетике, то обычно имеют в виду установки по производству электрической энергии из возобновляемых источников – солнечного света и ветра. При этом статистика исключает , станциях, использующих силу морских и океанических приливов, а также геотермальные электростанции. Хотя, эти источники энергии также являются возобновляемыми. Однако, они традиционные, используются в промышленных масштабах уже долгие годы.

Идея использовать силу ветра и солнечную энергию для производства электроэнергии достаточно привлекательная. Ведь это позволит отказаться от использования топлива. Даже привычный пейзаж должен будет измениться. Исчезнут трубы тепловых электростанций, саркофаги атомных. Многие страны перестанут находится в постоянной зависимости от закупок ископаемого топлива. Ведь солнце и ветер есть на Земле повсюду.

Но сможет ли такая энергетика вытеснить традиционную? Оптимисты считают, что так и произойдет. У пессимистов другой взгляд на проблему.

Всемирная статистика показывает, что рост инвестиций в альтернативную энергетику, начиная с 2012 года снижается . Наблюдается даже спад в абсолютных цифрах. Снижение в мировом масштабе произошло в основном за счет Соединенных Штатов Америки, стран Западной Европы. Его не смог даже компенсировать рост японских и китайских инвестиций.

Возможно, статистика несколько искаженная, ведь практически, не поддаются учету точечные производители альтернативной энергетики – отдельные солнечные батареи на крышах жилых домов, ветровые установки, обслуживающие отдельные фермерские хозяйства. А на них по оценкам экспертов приходится около трети всей альтернативной энергетики.

Германия справедливо считается лидером в производстве электричества из возобновляемых источников. Во многом ее энергетика является своеобразным полигоном для выработки перспективных моделей. Установленная мощность ее ветровой и солнечной генерации составляет 80 ГВт. 40 процентов мощностей принадлежит частным лицам, около 10 – фермерам. И только половина – компаниям и государству.

Примерно каждый двенадцатый гражданин Германии является собственником альтернативной энергетической установки. Примерно такие же цифры характеризуют Италию с Испанией. Солнечные энергоустановки подключены к общей сети, таким образом их владельцы одновременно производят и потребляют электроэнергию.

В прежние годы получать альтернативную энергию потребители могли лишь в солнечную погоду, но в настоящее время активно расширяется использование целых комплексов, в которых солнечные батареи дополнены аккумуляторами – традиционными свинцовыми или современными литиевыми. Таким образом появляется возможность накапливать избыточную энергию, чтобы потом ее использовать в темное время суток или же при плохой погоде.

Специалисты оценивают, что подобная связка, позволяет среднестатистической европейской семье, а это четыре человека, сэкономить 60 процентов потребляемой электроэнергии. Тридцатипроцентную экономию дадут непосредственно солнечные батареи, а еще тридцать аккумуляторы.

Экономия значительная, но вот стоимость такой энергии очень высока. Аккумуляторная батарея на шесть КВтч в среднем имеет стоимость 5 000 евро. Если прибавить стоимость установки, обслуживания, выплату налогов и другие расходы, то установка на шесть КВтч обойдется от десяти до двадцати тысяч евро. Теперь же в Германии действует тариф на электричество около 25 центов. Поэтому срок окупаемости альтернативной установки для одной семьи составит около тридцати лет.

Понятно, что ни один аккумулятор не прослужит так долго. Но это справедливо лишь для сегодняшних технологий. По мнению специалистов, стоимость, как аккумуляторных батарей, так и солнечных панелей будет снижаться, а тарифы на электроэнергию увеличиваться. Такой видят перспективы владельцы многих компаний, в частности Google. Именно эта компания является лидером по инвестициям в развитие альтернативной энергетики в США. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, на стоянке у ее центрального офиса установлены солнечные батареи.

В Западной Европе некоторые металлургические заводы и производители цемента заявляют, что в ближайшем будущем готовы к тому, чтобы частично использовать энергию солнечных батарей.

Ряд экспертов предрекают резкий спад спроса на традиционные виды энергоносителей и исчезновение атомной энергетики в обозримом будущем. Вероятно, к таким оценкам прислушиваются и американские энергетические компании. Так, в последние годы в США комиссия, которая регулирует атомную энергетику, не утвердила ни один из проектов АЭС.

Однако, при всех радужных перспективах альтернативная энергетика ставит вопросы, на которые пока нет четких ответов. Одна из основных проблем состоит в том, что развитие отрасли происходит в основном с колоссальной государственной поддержкой. Именно неопределенность в том, сохраниться ли такое положение в ближайшие годы, и вызвало падение интереса инвесторов в США, о котором писалось ранее. Та же картина наблюдается и в Италии, правительство которой урезало «зеленые» тарифы, чтобы сократить дефицит бюджета.

Германия производит около четверти всей электроэнергии, используя альтернативные источники, и даже экспортирует ее. Проблема состоит в том, что эта энергия имеет приоритет для поступления на рынок. А это уже дискриминирует традиционных поставщиков, ущемляет их экономические интересы. Государство дотирует производство по альтернативной технологии, но деньги для дотаций берутся за счет повышения тарифов. Примерно 20% стоимости электроэнергии для немцев – это и есть переплата.

Чем больше производится «зеленой» электроэнергии, тем сложнее выживать традиционным энергетическим компаниям. Их бизнес в Германии уже сегодня находится под угрозой. Крупные энергопроизводители, вкладываясь в альтернативную генерацию, сами попали в собственную ловушку. Большая доля «зеленой» электроэнергии уже обрушила оптовые цены.

Солнечные батареи, ветровые установки не могут выдавать энергию в пасмурные дни, при отсутствии ветра, поэтому отказаться от тепловых электростанций пока нереально, но в связи с приоритетом альтернативной электроэнергии, генерирующие мощности ТЭЦ вынуждены простаивать при солнечной погоде и в ветреные дни, а это увеличивает себестоимость их собственной генерации и сказывается на потребителях.

Рассуждая об альтернативной электроэнергии, обосновывая ее экономичность в будущем, обычно оперируют только стоимостью самих установок. Но для того, чтобы вся энергетическая система работала, и потребитель получал электроэнергию без перебоев, необходимо держать наготове традиционные мощности, которые в результате будут загружены лишь на пятую часть от своих генерирующих мощностей, а это дополнительные расходы. Плюс к этому, необходимо кардинально модернизировать электросеть, сделать ее «умной», чтобы обеспечить перетекание в ней электроэнергии на новых принципах. Все это требует многомиллиардных инвестиций, и пока не совсем ясно, за счет кого они возьмутся.

В прессе альтернативная энергетика подается практически беспроблемной отраслью, сулящей в будущем получение дешевой и экологически чистой в производстве электроэнергии, но серьезный бизнес понимает риски, связанные с ней. Государственная поддержка не слишком надежный источник финансирования, делать на него ставку рискованно. Такой «родник» может пересохнуть в любой момент.

И еще одна существенная проблема. Солнечные и ветровые установки требуют отчуждения огромных площадей земли. Если для условий Соединенных Штатов это не большая проблема, то Западная Европа густо заселена. Поэтому крупных проектов, связанных с альтернативной энергетиков пока не осуществляется.

Энергокомпании, стремясь свести риск к минимуму, инвестируют совместно с различными фондами, в том числе, пенсионными, страховыми компаниями. Но даже в Германии все осуществляемые проекты не масштабные, а точечные. Опыта создания и продолжительной эксплуатации больших генерирующих мощностей в мире до сих пор нет.

Пока проблемы альтернативной энергетики, ее риски обсуждаются в основном экспертами, а потому не представляются обществу актуальными. Энергетика, как и всякая другая сложная, разветвленная и устоявшаяся система, имеет большую инерцию. И лишь годы развития какой-либо новой тенденции способны сдвинуть ее с места. По этой причине, скорее всего, развитие альтернативной энергетики будет все же происходить с государственной поддержкой и иметь режим максимального благоприятствования.

Все активнее ведет себя в США «зеленое» лобби. Даже серьезные исследователи делают ставку на альтернативную энергетику. Так, согласно отчету Стэнфордского университета штат Нью-Йорк уже к 2030 году может полностью удовлетворить потребности в электроэнергии за счет солнечных и ветровых установок. При этом в отчете указывается, что, если грамотно расположить их по территории штата, то нет необходимости поддерживать в резерве работоспособные тепловые генерирующие мощности. Правда, совсем отказаться от традиционной энергетики авторы отчета не предлагают.

Альтернативная энергетика уже перестала быть экзотикой, она реально существует. Понятно, что по мере ее развития количество связанных с ней проблем будет лишь нарастать.

Для владельцев частных домов есть возможность значительно уменьшить счета за коммунальные услуги или вообще не пользоваться услугами поставщиков тепла, электроэнергии и газа. Можно даже обеспечить немалое хозяйство, а при желании и продавать излишки. Это реально и некоторыми уже проделано. Для этого используют альтернативные источники энергии.

Откуда можно получать энергию и в каком виде

На самом деле энергия, в том или ином виде, в природе есть практически везде — солнце, ветер, вода, земля — везде есть энергия. Основная задача — извлечь ее оттуда. Этим человечество занимается уже не одну сотню лет и достигло неплохих результатов. На сегодняшний момент альтернативные источники энергии могут обеспечить дом теплом, электроэнергией, газом, теплой водой. Причем альтернативная энергетика не требует каких-то сверх навыков или сверх знаний. Все можно сделать для своего дома своими руками. Итак, что можно сделать:

Все альтернативные источники энергии способны полностью обеспечить потребности человека, но для этого требуются слишком большие капиталовложения или/и слишком большие площади. Потому разумнее делать комбинированную систему: получать энергию от альтернативных источников, а при недостатке «добирать» из централизованных сетей.

Использование солнечной энергии

Один из самых мощных альтернативных источников энергии для дома — солнечное излучение. Для преобразования солнечной энергии есть два типа установок:

Не стоит думать что работают установки только не юге и только летом. Хорошо они работают и зимой. В ясную погоду при выпавшем снеге выработка энергии только немного ниже летней. Если в вашем регионе большое количество ясных дней, использовать подобную технологию можно.

Солнечные батареи

Солнечные батареи собирают из фотоэлектрических преобразователей, которые изготавливают на базе минералов, которые под действием солнечного света испускают электроны — вырабатывают электрический ток. Для частного применения используются кремниевые фотопреобразователи. По своей структуре они бывают монокристаллическими (сделаны из одного кристалла) и поликристаллическими (много кристаллов). Монокристаллические имеют более высокий КПД (13-25% в зависимости от качества) и более продолжительный срок службы, но стоят дороже. Поликристаллические вырабатывают меньше электроэнергии (9-15%) и быстрее выходят из строя, но имеют более низкую цену.

Это поликристаллический фотопреобразователь. Обращаться с ними надо аккуратно — они очень хрупкие (монокристаллические тоже, но не в такой степени)

Сборка солнечной батареи своими руками несложна. Сначала надо приобрести некоторое количество кремниевых фотоэлементов (количество зависит от требуемой мощности). Чаще всего их покупают на китайских торговых площадках типа АлиЭкспресс. Затем порядок действий прост:

Несколько слов о том, почему подложку для солнечной панели (батареи) надо красить в белый цвет. Рабочий диапазон температур кремниевых пластин от — 40°C до +50°C. Работа при более высоких или низких температурах приводит к быстрому выходу элементов из строя. На крыше, летом, в закрытом объеме, температура может быть намного выше +50°C. Потому и необходим белый цвет — чтобы не перегреть кремний.

Солнечные коллекторы

При помощи солнечных коллекторов можно нагревать воду или воздух. Куда направлять нагретую солнцем воду — в краны для горячего водоснабжения или в систему отопления — выбираете вы сами. Только отопление будет низкотемпературным — для теплого пола, то что требуется. Но для того, чтобы температура в доме не зависела от погоды, систему требуется сделать резервируемой, чтобы при необходимости подключался другой источник тепла или котел переходил на другой источник энергии.

Солнечные коллекторы есть трех видов: плоские, трубчатые и воздушные. Наиболее распространенные — трубчатые, но и другие тоже имеют право на существование.

Плоские пластиковые

Две панели — черная и прозрачная — соединены в один корпус. Между ними расположен медный трубопровод в виде змейки. От солнца нижняя темная панель нагревается. от нее греется медь, а от нее — проходящая по лабиринту вода. Такой способ использования альтернативных источников энергии не самый эффективный, но привлекателен тем, что он очень прост в исполнении. Таким образом можно нагревать воду в . Надо будет только зациклить ее подачу (при помощи циркуляционного насоса). Точно также можно подогревать воду в емкости для или использовать ее для бытовых нужд. Недостаток подобных установок — низкая эффективность и производительность. Чтобы нагреть большой объем воды, нужно или много времени, или большое количество плоских коллекторов.

Трубчатые коллекторы

Это стеклянные трубки — вакуумные или коаксиальные — по которым протекает вода. Специальная система позволяет по максимуму концентрировать в трубках тепло, которое передается протекающей через них воде.

В системе обязательно есть накопительная емкость, в которой вода и греется. Циркуляция воды в системе обеспечивается насосом. Такие системы самостоятельно не сделать — стеклянные трубки сделать своими руками проблематично и это — главный недостаток. Вместе с высокой ценой он сдерживает широкое внедрение этого источника энергии для дома. А сама система очень эффективна, на «ура» справляется с нагревом воды для ГВС и вносит приличный вклад в отопление.

Схема организации отопления и ГВС за счет альтернативных источников энергии — с использованием солнечных коллекторов

Воздушные коллекторы

В нашей стране они встречаются очень редко и зря. Они просты, их легко можно сделать своими руками. Единственный минус — требуется большая площадь: могут занимать всю южную (восточную, юго-восточную) стену. Система очень похожа на плоские коллекторы — черная нижняя панель, прозрачная верхняя, но греют они напрямую воздух, который принудительно (вентилятором) или естественным путем направляется в помещение. Несмотря на кажущуюся несерьезность, таким способом можно на протяжении светового дня греть небольшие помещения, в том числе и технические или подсобные: , дачи, сараи для живности.

Такой альтернативный источник энергии как солнце, дарит нам свое тепло, но большая его часть уходит «в никуда». Словить небольшую ее долю и использовать для личных нужд — вот задача, которую решают все эти приспособления.

Ветрогенераторы

Альтернативные источники энергии хороши тем, что они по большей части относятся к возобновляемым ресурсам. Самый вечный, наверное, ветер. Пока есть атмосфера и солнце, ветер тоже есть. Может какой-то непродолжительный период воздух и будет неподвижным, но очень недолго. Наши предки использовали энергию ветра в мельницах, а современный человек преобразует ее в электричество. Все что для этого требуется:

вышка, установленная в ветреном месте;
генератор с приделанными к нему лопастями;
накопительной батареи и системы распределения электрического тока.

Вышка строится любая, из любого материала. Накопительная батарея — аккумулятор, тут ничего не придумаешь, а куда подавать электричество — ваш выбор. Остается только сделать генератор. Его тоже можно купить уже готовым, но вполне можно сделать из двигателя от бытовой техники — стиральной машины, шуруповерта и т.п. Нужны будут неодимовые магниты и эпоксидная смола, токарный станок.

На роторе мотора размечаем места под установку магнитов. Они должны находится на равном расстоянии друг от друга. Ротор выбранного мотора обтачиваем, формируя «посадочные места». Дно выемки должно иметь небольшой наклон, чтобы поверхность магнита была наклонена. В выточенные места на жидкие гвозди приклеиваются магниты, заливаются эпоксидной смолой. Поверхность затем наждачной бумагой доводится до гладкости. Далее надо приделать щетки, которые будут снимать ток. И все, можно собирать и запускать ветрогенератор.

Такие установки довольно эффективны, но их мощность зависит от многих факторов: интенсивности ветра, того, насколько правильно сделан генератор, насколько эффективно снимается разность потенциала щетками, от надежности электрических соединений и т.п.

Тепловые насосы для отопления дома

Тепловые насосы используют все имеющиеся в наличии альтернативные источники энергии. Они отбирают тепло у воды, воздуха, грунта. В небольших количествах это тепло есть там даже зимой, вот его и собирает тепловой насос и перенаправляет на обогрев дома.

Тепловые насосы также используют альтернативные источники энергии — тепло земли, воды и воздуха

Принцип работы

Чем же так привлекательны тепловые насосы? Тем, что затратив 1 кВт энергии на ее перекачку, в самом плохом варианте вы получите 1,5 кВт тепла, а самые удачные реализации могут дать до 4-6 кВт. И это никак не противоречит закону сохранения энергии, ведь расходуется энергия не на получение тепла, а не его перекачивание. Так что никаких нестыковок.

У тепловых насосов есть три рабочих контура: два наружных и они внутренний, а также испаритель, компрессор и конденсатор. Работает схема так:

В первом контуре циркулирует теплоноситель, который отбирает тепло у низкопотенциальных источников. Он может быть опущен в воду, закопан в землю, а может отбирать тепло у воздуха. Самая высокая температура, которая достигается в этом контуре — около 6°C.
Во внутреннем контуре циркулирует теплоноситель с очень низкой температурой кипения (обычно 0°C). Нагревшись, хладагент испаряется, пар попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления. При сжатии выделяется тепло, пары хладагента разогреваются до температуры в среднем от +35°C до +65°C.
В конденсаторе тепло передается теплоносителю из третьего — отопительного — контура. Остывающие пары конденсируются, затем дальше попадают в испаритель. И далее цикл повторяется.

Отопительный контур лучше всего делать в виде теплого пола. Температуры для этого самые подходящие. Для радиаторной системы потребуется слишком большое число секций, что некрасиво и невыгодно.

Альтернативные источники тепловой энергии: откуда и как брать тепло

Но самые большие сложности вызывает устройство первого внешнего контура, который собирает тепло. Так как источники низкопотенциальные (тепла у низ мало), то для сбора его в достаточном количестве требуются большие площади. Есть четыре вида контуров:

Кольцами уложенные в воде трубы с теплоносителем. Водоем может быть любым — река, пруд, озеро. Главное условие — он не должен промерзать насквозь даже в самые сильные морозы. Более эффективно работают насосы, выкачивающие тепло из речки, в стоячей воде тепла передается намного меньше. Такой источник тепла реализуется проще всего — закинуть трубы, привязать груз. Только велика вероятность случайного повреждения.
Термальные поля с закопанными ниже глубины промерзания трубами. В этом случае недостаток один — большие объемы земляных работ. Приходится снимать грунт на большой площади, да еще на солидную глубину.
Использование геотермальных температур. Бурят некоторое количество скважин большой глубины, в них опускают контура с теплоносителем. Чем хорош этот вариант — мало места требует, но не везде есть возможность бурить на большие глубины, да и услуги буровых стоят немало. Можно, правда, но работа все равно нелегкая.
Извлечение тепла из воздуха. Так работают кондиционеры с возможностью обогрева — отбирают тепло у «забортного» воздуха. Даже при минусовой температуре такие агрегаты работают, правда при не очень «глубоком» минусе — до -15°C. Чтобы работа была интенсивнее, можно использовать тепло от вентиляционных шахт. Закинуть туда несколько переть с теплоносителем и качать оттуда тепло.

Основной недостаток тепловых насосов — высокая цена самого насоса, да и монтаж полей сбора тепла обходится недешево. На этом деле можно сэкономить, сделав насос самостоятельно и также своими руками уложив контура, но сумма все равно останется немалой. Плюс в том, что отопление будет недорогим а действовать система будет долго.

Отходы в доходы:

Все альтернативные источники энергии имеют природное происхождение, но получать двойную выгоду можно только от биогазовых установок. В них перерабатываются отходы жизнедеятельности домашних животных и птицы. В результате получается некоторый объем газа, который после очищения и осушения можно использовать по прямому назначению. Оставшиеся переработанные отходы можно продать или использовать на полях для повышения урожайности — получается очень эффективное и безопасное удобрение.

Коротко о технологии

Образование газа происходит при брожении, и участвуют в этом бактерии, живущие в навозе. Для выработки биогаза подходят отходы любого скота и птицы, но оптимален навоз КРС. Его даже добавляют к остальным отходам для «закваски» — в нем содержатся именно нужные для переработки бактерии.

Для создания оптимальных условий необходима анаэробная среда — брожение должно проходить без доступа кислорода. Потому эффективные биореакторы — закрытые емкости. Чтобы процесс шел активнее, необходимо регулярное перемешивание массы. В промышленных установках для этого устанавливаются мешалки с электроприводами, в самодельных биогазовых установках это обычно механические устройства — от простейшей палки до механических мешалок, которые «работают» от силы рук.

В процессе образования газа из навоза участвуют два типа бактерий: мезофильные и термофильные. Мезофильные активны при температуре от +30°C до +40°C, термофильные — при +42°C до +53°C. Более эффективно работают термофильные бактерии. При идеальных условиях выработка газа с 1 литра полезной площади может достигать 4-4,5 литров газа. Но поддерживать в установке температуру в 50°C очень непросто и затратно, хотя затраты себя оправдывают.

Немного о конструкциях

Самая простая биогазовая установка — это бочка с крышкой и мешалкой. В крышке сделан вывод для подключения шланга, по которому газ поступает в резервуар. От такого объема много газа не получите, но на одну-две газовые горелки его хватит.

Более серьезные объемы можно получить от подземного или надземного бункера. Если речь о подземном бункере, то его делают из железобетона. Стенки от грунта отделяют слоем теплоизоляции, саму емкость можно разделить на несколько отсеков, в которых будет происходить переработка со сдвигом во времени. Так как работают в таких условиях обычно мезофильные культуры, весь процесс занимает от 12 до 30 дней (термофильные перерабатывают за 3 дня), потому сдвиг по времени желателен.

Навоз поступает через бункер загрузки, с противоположной стороны делают люк выгрузки, откуда отбирают переработанное сырье. Заполняется бункер биосмесью не полностью — порядка 15-20% пространства остается свободным — тут скапливается газ. Для его отвода в крышку встраивается трубка, второй конец которой опускается в гидрозатвор — емкость частично заполненную водой. Таким образом газ осушается — в верхней части собирается уже очищенный, он отводится при помощи другой трубки и уже может подавиться к потребителю.

Использовать альтернативные источники энергии может каждый. Владельцам квартир осуществить это сложнее, а вот в частном доме можно хоть все идеи реализовать. Есть уже даже реальные примеры того. Люди обеспечивают полностью потребности свои и немалого хозяйства.

Динамика развития альтернативной энергетики по-настоящему впечатляет. Так, совокупный мировой объем установленных мощностей ВИЭ к началу 2010 года достиг 1230 ГВт, увеличившись почти на 7% с 2008 года. Такая ситуация дает прекрасный повод для оптимизма для сторонников развития «зеленой» энергетики. Правда, основную долю установленных мощностей возобновляемой энергетики составляет гидроэнергетика - 980 ГВт. Что касается мирового производства электроэнергии, то ВИЭ, без учета гидроэнергетики, составляла лишь 3% (с учетом гидроэнергетики - 18%).

Развитие таких видов возобновляемых источников энергии, как ветровая и солнечная энергетика, а также производство энергии, основанной на использовании биотоплива и биомассы, приковывает к себе основное внимание. Причем именно данные три направления «зеленой» энергетики требуют особой административной и финансовой поддержки со стороны властей для того, чтобы успешно развиваться.

Ветровая энергетика. Среди других видов ВИЭ к настоящему времени уже занимает наиболее весомые позиции среди других видов «зеленой» энергетики (без учета гидрогенерации) и продолжает демонстрировать уверенные темпы роста. Так, в конце 2010 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 196,6 ГВт. В том же году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 ТВт/часов (2,5% всей произведённой человечеством электрической энергии). Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, в 2011 году в Дании с помощью ветрогенераторов производилось 28 % всего электричества, в Португалии - 19%, в Ирландии - 14% , в Испании - 16% и в Германии - 8%.

Солнечная энергетика. По данным Ассоциации предприятий солнечной энергетики, суммарная мощность всех установок в мире на конец 2011 года составила 65 ГВт. Рост к 2010 году составил 51%. Однако сейчас, в солнечной энергетике спрос отстает от предложения – за год устанавливается не более половины мощности, которую могут обеспечить производители. Прогноз роста спроса на оборудование составляет 10-15% в год.

Биоэнергетика. К настоящему времени производство биотоплива и топливных гранул является одним из наиболее развитых сегментов рынка ВИЭ. Объем мирового производства биотоплива в 2011 году достиг показателя в 1,819 млн. баррелей, что немного ниже показателя предыдущего года. Объем производства топливных гранул достиг 8-10 млн тонн. Прирост по отношению к 2008 году составил около 20%. Суммарный объем производственных мощностей достиг показателя в 12 млн. тонн пеллет в год.

Довольно внушителен и объем инвестиций, который был направлен за последние годы в развитие альтернативной генерации. По оценкам International Energy Agency (IEA) и исследовательской компании New Energy Finance, совокупный объем вложений в «зеленую» энергетику составил в 2010 году 211 млрд долл. США, что примерно на треть больше инвестиций 2009 года. Правда кризис внес в динамику инвестиций в ВИЭ свои коррективы. По сравнению с предыдущим периодом объем капиталовложений сократился на 6%. Кроме того, ухудшилось финансовое положение компаний, которые работали на рынке ВИЭ, что привело даже к банкротствам некоторых из них.

Тем не менее, несмотря на определенное торможение динамики капиталовложений в «зеленую» энергетику, эксперты дают весьма благоприятные прогнозы ее дальнейшего развития. В частности, к 2035 году, как считают в IEA, треть мировой электроэнергии будет вырабатываться ВИЭ, а суммарные инвестиции в них к этому периоду составят около 5,7 триллиона долларов. Применение биотоплива возрастет более чем в четыре раза и, таким образом, будет удовлетворять 8% спроса на топливо для транспортных средств (в настоящее время доля биотоплива составляет около 3%). При этом суммарные инвестиции в развитие возобновляемых источников, по прогнозу IEA, составят почти 5,7 триллиона долларов. Согласно другому прогнозу IEA, основная часть электроэнергии в мире следующие 50 лет будет производиться за счёт солнечной генерации.

За последние годы былой энтузиазм по поводу будущего ВИЭ слегка поутих. Сейчас все чаще встречаются и откровенно скептические оценки относительно будущего «зеленой» энергетики. В частности, в ноябре 2010 года были обнародованы результаты исследования Калифорнийского университета в Дэвисе, согласно которым человечеству потребуется 130 лет для полной замены нефти и нефтепродуктов на новые альтернативные виды энергии, включая биотопливо. При этом задержка с переходом на новую энергетику связана и с тем, что некоторые из ее видов представляют более значительную опасность для экологии, чем нефть и нефтепродукты.

Несколько подрывают доверие к развитию «зеленой» энергетики и то, что по отношению к будущей динамике ее развития изначально была заложена чрезмерно высокая планка. Поэтому многие прогнозы на этот счет оказывались, по итогу, слишком оптимистичными. В частности, несмотря на все обещания, ей так и не удалось к настоящему времени сравняться по стоимости производимой энергии с традиционной генерацией.

Тем не менее, несмотря на то, что продвижение ВИЭ сталкивается с множеством проблем, их сторонники не унывают. На «зеленую» энергетику возлагают большие надежды, причем необходимость их развития уже по умолчанию преподносится как нечто само собой разумеющееся. Она, своего рода, стала неотъемлемым атрибутом того, что считается цивилизованным и правильным.

ВИЭ активно стараются представить как магистральный и прогрессивный тренд, по которому неизбежно будет двигаться современное человечество. Сторонники альтернативных видов топлива говорят о неизбежности «зеленой» революции в энергетике. Так по оценке Wind Energy Association, к 2020 году более 12% мирового спроса на электроэнергию будет обеспечиваться именно из этого источника. Еще больший оптимизм в отношении развития альтернативной энергетики проявляет European Renewable Energy Council (EREC), согласно прогнозам которого, в 2030 году возобновляемые источники будут обеспечивать 35% мирового энергопотребления.

Ограниченные запасы ископаемого топлива и глобальное загрязнение окружающей среды заставило человечество искать возобновляемые альтернативные источники такой энергии, чтобы вред от ее переработки был минимальным при приемлемых показателях себестоимости производства, переработки и транспортировки энергоресурсов.

Современные технологии позволяют использовать имеющиеся альтернативные энергетические ресурсы, как в масштабе целой планеты, так и в пределах энергосети квартиры или частного дома.

Буйное развитие жизни на протяжении нескольких миллиардов лет наглядно доказывает обеспеченность Земли источниками энергии. Солнечный свет, тепло недр и химический потенциал позволяют живым организмам осуществлять множественные энергетические обмены, существуя в среде, созданной физическими факторами – температурой, давлением, влажностью, химическим составом.

Круговорот веществ и энергии в природе

Экономические критерии альтернативных источников энергии

Человек издревле использовал энергию ветра как движитель для кораблей, что позволяло развиваться торговле. Возобновляемое топливо из отмерших растений и отходов жизнедеятельности было источником тепла для приготовления пищи и получения первых металлов. Энергия перепада воды приводила в действие мельничные жернова. На протяжении тысячелетий это были основные виды энергии, которые мы теперь называем альтернативными источниками.

С развитием геологии и технологий добычи недр стало экономически выгодней добывать углеводороды и сжигать их для получения энергии по мере необходимости, чем ждать у моря погоды в буквальном смысле, надеясь на удачное совпадение течений, направления ветра, облачности.

Нестабильность и изменчивость погодных условий, а также относительная дешевизна двигателей, работающих на ископаемом топливе, заставили прогресс развиваться по пути использования энергии недр земли.

Диаграмма, демонстрирующая соотношение потребления ископаемых и возобновляемых источников энергии

Усвоенный и переработанный живыми организмами углекислый газ, покоившийся в недрах миллионы лет, снова возвращается в атмосферу при сжигании ископаемых углеводородов, что является источником парникового эффекта и глобального потепления. Благополучие будущих поколений и хрупкое равновесие экосистемы заставляют человечество пересмотреть экономические показатели и использовать альтернативные виды энергии , ведь здоровье дороже всего.

Сознательное использование возобновляемых природой альтернативных источников энергии становится популярным, но, как и прежде, преобладают экономические приоритеты. Но в условиях загородного дома или на даче использование источников альтернативного электричества и тепла может оказаться единственным экономически выгодным вариантом получения энергии, если проведение, подключение и установка линий энергоснабжения окажется слишком дорогой затеей.

Обеспечение удаленного от цивилизации дома минимально необходимым объемом электроэнергии с помощью солнечных панелей и ветрогенератора

Возможности использования альтернативных видов энергии

Пока ученые исследуют новые направления и разрабатывают технологии холодного термоядерного синтеза, домашние мастера могут использовать следующие альтернативные источники энергии для дома:

Солнечный свет;
Энергия ветра;
Биологический газ;
Разница температур;

По данным альтернативным видам возобновляемой энергии существуют готовые решения, успешно внедренные в массовое производство. Например – солнечные батареи, ветрогенераторы, биогазовые установки и тепловые насосы различной мощности можно приобрести вместе с доставкой и установкой, чтобы иметь свои альтернативные источники электричества и тепловой энергии для частного дома.

Промышленно выпускаемая солнечная панель, установленная на крыше частного дома

В каждом отдельном случае должен быть свой собственный план обеспечения домашних электроприборов источниками альтернативной электрической энергии, согласно потребностей и возможностей. Например, для питания ноутбука, планшета, зарядки телефона можно использовать источник напряжением 12 В., и переносные адаптеры. Данного напряжения, при достаточном объеме аккумулятора энергии будет достаточно для освещения при помощи .

Солнечные батареи и ветрогенераторы должны заряжать аккумуляторы, ввиду непостоянства освещения и силы энергии ветра. С увеличением мощности альтернативных источников электричества и объема аккумуляторов возрастает энергетическая независимость автономного энергоснабжения. Если требуется подключить к альтернативному источнику электричества электроприборы, работающие от 220 В., то применяют преобразователи напряжения .

Схема, иллюстрирующая питание домашних электроприборов от аккумуляторов, заряжаемых ветрогенератором и солнечными панелями

Альтернативная энергия солнечного излучения

В домашних условиях практически невозможно создать фотоэлементы, поэтому конструкторы альтернативных источников энергии используют готовые комплектующие, собирая генерирующие конструкции, добиваясь необходимой мощности. Соединение фотоэлементов последовательно увеличивает выходное напряжение полученного источника электричества, а подключение собранных цепочек параллельно дает больший суммарный ток сборки.

Схема подключения фотоэлементов в сборке

Ориентироваться можно на интенсивность энергии солнечного излучения – это примерно один киловатт на квадратный метр. Также нужно учитывать коэффициент полезного действия солнечных батарей – на данный момент это приблизительно 14%, но ведутся интенсивные разработки для увеличения КПД солнечных генераторов. Выходная мощность зависит от интенсивности излучения и угла падения лучей.

Можно начать с малого – приобрести одну или несколько небольших солнечных батарей, и иметь источник альтернативного электричества на даче в объеме, необходимом для зарядки смартфона или ноутбука, чтобы иметь доступ к глобальной сети интернет. Замеряя ток и напряжение, изучают объемы потребления энергии, обдумывая перспективу дальнейшего расширения использования источников альтернативной электроэнергии.

Установка дополнительных солнечных батарей на крыше дома

Нужно помнить, что солнечный свет также является источником теплового (инфракрасного) излучения, которое может использоваться для нагрева теплоносителя без дальнейшего преобразования энергии в электричество. Данный альтернативный принцип применяется в солнечных коллекторах , где при помощи отражателей инфракрасное излучение концентрируется и передается теплоносителем в систему отопления.

Солнечный коллектор в составе домашней системы отопления

Альтернативная энергия ветра

Простейший путь для самостоятельного создания ветрогенератора – это использовать автомобильный генератор. Для увеличения оборотов и напряжения источника альтернативного электричества (эффективности генерации электрической энергии) следует применить редуктор или ременную передачу. Объяснение всевозможных технологических нюансов выходит за рамки данной статьи – нужно изучать принципы аэродинамики, чтобы понять процесс преобразования скорости потока воздушных масс в альтернативное электричество.

На начальном этапе изучения перспектив преобразования возобновляемых источников альтернативной энергии ветра в электричество, нужно выбрать конструкцию ветряка. Наиболее распространенные конструкции – это лопастной винт с горизонтальной осью, ротор Савониуса, и турбина Дарье. Лопастной винт с тремя лопастями в качестве источника альтернативной энергии – наиболее распространенный вариант для самодельного изготовления.

Разновидности турбин Дарье

При проектировании лопастей винтов большое значение имеет угловая скорость вращения ветряка. Существует так называемый фактор эффективности винта, который зависит от скорости воздушного потока, а также длины, сечения, количества и угла атаки лопастей.

Обобщенно данную концепцию можно понять так – при малом ветре длины лопасти с самым удачным углом атаки будет недостаточно для достижения максимальной эффективности генерации энергии, но с многократным усилением потока и увеличением угловой скорости кромки лопастей будут испытывать чрезмерное сопротивление, которое может их повредить.

Сложный профиль лопасти ветряка

Поэтому длину лопастей рассчитывают исходя из средней скорости ветра, плавно изменяя угол атаки относительно удаления от центра винта. Для предотвращения поломки лопастей при ураганном ветре выводы генератора замыкают накоротко, что препятствует вращению винта. Для приблизительных расчетов можно принимать один киловатт альтернативной электроэнергии от трехлопастного винта диаметром 3 метра при средней скорости ветра 10м/с.

Для создания оптимального профиля лопасти потребуется компьютерное моделирование и ЧПУ станок. В домашних условиях мастера используют подручные материалы и инструменты, стараясь максимально точно воссоздать чертежи альтернативных источников ветровой энергии. В качестве материалов используется дерево, метал, пластик и т.д.

Самодельный винт ветрогенератора, сделанный из дерева и металлической пластины

Для генерации электричества мощности автомобильного генератора может оказаться недостаточно, поэтому мастера своими руками изготавливают генерирующие электрические машины, или переделывают электродвигатели. Наиболее популярная конструкция источника альтернативного электричества – ротор с попеременно размещенными неодимовыми магнитами и статором с обмотками.

Роторы самодельного генератора

Статор с обмотками для самодельного генератора

Альтернативная энергия биогаза

Биологический газ в качестве источника энергии получают в основном двумя способами – это пиролиз и анаэробное (без доступа кислорода) разложение органических веществ. Для пиролиза требуется лимитированная подача кислорода, необходимая для поддержания температуры реакции, при этом выделяются горючие газы: метан, водород, угарный газ и другие соединения: углекислый газ, уксусная кислота, вода, зольные остатки. В качестве источника для пиролиза лучше всего подходит топливо с большим содержанием смол. На видео ниже показана наглядная демонстрация выделения горючих газов из древесины при нагреве.

Для синтеза биогаза из отходов жизнедеятельности организмов применяются метантанки различных конструкций. Устанавливать метантанк дома своими руками имеет смысл при наличии в домашнем хозяйстве курятника, свинарника и поголовья крупного рогатого скота. Основной газ на выходе – метан, но большое количество примеси сероводорода и других органических соединений требует применения систем очищения для удаления запаха и предотвращения засорения горелок в тепловых генераторах или загрязнения топливных трактов двигателя.

Нужно основательное изучение энергии химических процессов, технологий с постепенным набором опыта, пройдя путь проб и ошибок, чтобы получить на выходе источника горючий биологический газ приемлемого качества.

Независимо от происхождения, после очистки смесь газов подается в теплогенератор (котел, печь, конфорка плиты) или в карбюратор бензинового генератора, — такими способами получается полноценная альтернативная энергия своими руками. При достаточной мощности газогенераторов возможно не только обеспечение дома альтернативной энергией, но и обеспечивается работа небольшого производства, как показано на видео:

Тепловые машины для экономии и получения альтернативной энергии

Тепловые насосы широко применяются в холодильниках и кондиционерах. Было замечено, для перемещения тепла требуется в несколько раз меньше энергии, чем для его генерации. Поэтому студеная вода из скважины имеет тепловой потенциал относительно морозной погоды. Понижая температуру проточной воды из скважины или из глубин незамерзающего озера, тепловые насосы отбирают тепло и передают его в систему отопления, при этом достигается значительная экономия электричества.

Экономия электроэнергии с помощью теплового насоса

Другой тип тепловой машины – двигатель Стирлинга, работающий от энергии разницы температур в замкнутой системе цилиндров и поршней, размещенных на коленчатом вале под углом 90º. Вращение коленвала может использоваться для генерации электричества. В сети имеется множество материалов из проверенных источников, подробно объясняющих принцип действия двигателя Стирлинга, и даже приводятся примеры самодельных конструкций, как на видео ниже:

К сожалению, домашние условия не позволяют создать двигатель Стирлинга с параметрами выхода энергии выше, чем у забавной игрушки или демонстрационного стенда. Для получения приемлемой мощности и экономичности требуется, чтобы рабочий газ (водород или гелий) был под большим давлением (200 атмосфер и больше). Подобные тепловые машины уже используются в солнечных и геотермальных электростанциях и начинают внедряться в частный сектор.

Двигатель Стирлинга в фокусе параболического зеркала

Чтобы получить максимально стабильное и независимое электричество на даче или в частном доме потребуется совмещения нескольких альтернативных источников энергии.

Новаторские идеи по созданию альтернативных источников энергии

Целиком и полностью охватить весь спектр возможностей возобновляемой альтернативной энергетики не сможет ни один знаток. Альтернативные источники энергии имеются буквально в каждой живой клетке. Например, водоросль хлореллы давно известна как источник белков в корме для рыб.

Ставятся опыты по выращиванию хлореллы в невесомости, для применения в качестве пищи космонавтов при дальних космических перелетах в будущем. Энергетический потенциал водорослей и других простых организмов изучается для синтеза горючих углеводородов.

Аккумулирование солнечного света в живых клетках хлореллы, выращиваемой в промышленных установках

Нужно иметь в виду, что преобразователя и аккумулятора энергии солнечного света лучшего, чем фторопласт живой клетки пока не придумано. Поэтому потенциальные возобновляемые источники альтернативного электричества имеются в каждом зеленом листе, осуществляющем фотосинтез .

Основная сложность состоит в том, чтобы собрать органический материал, при помощи химических и физических процессов достать оттуда энергию и преобразовать ее в электричество. Уже сейчас большие площади аграрных земель отводятся под выращивание альтернативных энергетических культур.

Уборка мискантуса — энергетической агротехнической культуры

Другим колоссальным источником альтернативной энергии может служить атмосферное электричество. Энергия молний огромная и обладает разрушительными воздействиями, и для защиты от них используются молниеотводы.

альтТрудности с обузданием энергетического потенциала молнии и атмосферного электричества состоят в большом напряжении и силе тока разряда за очень короткое время, что требует создания многоступенчатых систем из конденсаторов для накопления заряда с последующим использованием запасенной энергии. Также хорошие перспективы имеются у статического атмосферного электричества.

Альтернативная энергия - это энергия, источник которой отличается от тех, что мы привыкли использовать (уголь, газ, ядерное топливо, нефть и т.п.); чаще используется в контексте ограниченности ископаемых источников топлива и наличия у таковых выбросов вредных парниковых газов в атмосферу. Альтернативная энергия - относительно новая отрасль (поскольку не было необходимости искать что-то менее эффективное, но более чистое, чем уголь, например) не находит широкого числа сторонников, но переход к ней неизбежен. Когда мы найдем способы добычи большого количества электроэнергии (скорее, ее хранения), использования водорода и других элементов, эффективной солнечной или термоядерной энергии на замену привычным источникам, мир изменится до неузнаваемости.

В китайском городе Хэфэй с 2006 года идет разработка «искусственного солнца» для имитации процесса ядерного синтеза, при помощи которого настоящее генерирует энергию. Чтобы получить альтернативный и безграничный источник энергии, ученые разогревают плазму до рекордных температур внутри специальной камеры, под названием токамак. В ноябре исследователям удалось разогреть плазму до температуры 100 миллионов градусов Цельсия, и теперь стало известно, что китайское «Солнце» будет полностью достроено уже в 2019 году.