Альтернативная энергетика для дома своими руками: обзор лучших эко-технологий. Альтернативная энергетика

Женщине

За последние годы альтернативная энергетика стала предметом пристального интереса и ожесточенных дискуссий. Под угрозой изменения климата и того факта, что средние мировые температуры продолжают расти с каждым годом, стремление найти формы энергии, которые позволят сократить зависимость от ископаемого топлива, угля и других загрязняющих окружающую среду процессов, естественным образом выросло.

В то время как большинство концепций не новы, только за последние несколько десятилетий этот вопрос стал, наконец, актуальным. Благодаря усовершенствованию технологий и производства, стоимость большинства форм альтернативной энергии понижалась, в то время как эффективность росла. Что же такое альтернативная энергетика, если говорить простыми и понятными словами, и какова вероятность того, что она станет основной?

Очевидно, остаются некоторые споры касательно того, что означает «альтернативная энергия» и к чему эту фразу можно применить. С одной стороны, этот термин можно отнести к формам энергии, которые не приводят к увеличению углеродного следа человечества. Поэтому он может включать ядерные объекты, гидроэлектростанции и даже природный газ и «чистый уголь».

С другой стороны, этот термин также используется для обозначения того, что в настоящее время считается нетрадиционными методами энергетики - энергии солнца, ветра, геотермальной энергии, биомассы и других недавних дополнений. Такого рода классификация исключает такие методы добычи энергии, как гидроэлектростанции, которые существуют больше сотни лет и представляют собой довольно распространенное явление в некоторых регионах мира.

Другой фактор в том, что альтернативные источники энергии должны быть «чистыми», не производить вредных загрязняющих веществ. Как уже отмечалось, это подразумевает чаще всего двуокись углерода, однако может относиться и к другим выбросам - моноксиду углерода, двуокиси серы, окиси азота и другим. По этим параметрам ядерная энергия не считается альтернативным источником энергии, поскольку производит радиоактивные отходы, которые высоко токсичны и должны храниться соответствующим образом.

Во всех случаях, однако, этот термин используется для обозначения видов энергии, которые придут на смену ископаемому топливу и углю в качестве преобладающей формы производства энергии в ближайшее десятилетие.

Виды альтернативных источников энергии
Строго говоря, существует много видов альтернативной энергии. Опять же, здесь определения заходят в тупик, потому что в прошлом «альтернативной энергетикой» называли методы, использование которых не считали основным или разумным. Но если взять определение в широком смысле, в него войдут некоторые или все эти пункты:

Гидроэлектроэнергия. Это энергия, вырабатываемая гидроэлектрическими плотинами, когда падающая и текущая вода (в реках, каналах, водопадах) проходит через устройство, вращающее турбины и вырабатывающее электричество.

Ядерная энергия. Энергия, которая производится в процессе реакций замедленного деления. Урановые стержни или другие радиоактивные элементы нагревают воду, превращая ее в пар, а пар крутит турбины, вырабатывая электричество.

Энергия, которая получается напрямую от Солнца; (обычно состоящие из кремниевой подложки, выстроенные в крупные массивы) преобразуют лучи солнца напрямую в электрическую энергию. В некоторых случаях и тепло, производимое солнечным светом, используется для производства электричества, это известно как солнечная тепловая энергия.

Энергия ветра. Энергия, вырабатываемая потоком воздуха; гигантские ветряные турбины вертятся под действием ветра и вырабатывают электричество.

Геотермальная энергия. Эту энергию вырабатывает тепло и пар, производимые геологической активностью в земной коре. В большинстве случаев в грунт над геологически активными зонами помещаются трубы, пропускающие пар через турбины, таким образом вырабатывая электричество.

Энергия приливов. Приливное течение у береговых линий тоже может использоваться для выработки электричества. Ежедневное изменение приливов и отливов заставляет воду протекать через турбины назад и вперед. Вырабатывается электроэнергия, которая передается на береговые электростанции.

Биомасса. Это относится к топливу, которое получают из растений и биологических источников - этанола, глюкозы, водорослей, грибов, бактерий. Они могли бы заменить бензин в качестве источника топлива.

Водород. Энергия, получаемая из процессов, включающих газообразный водород. Сюда входят каталитические преобразователи, при которых молекулы воды разбиваются на части и воссоединяются в процессе электролиза; водородные топливные элементы, в которых газ используется для питания двигателя внутреннего сгорания или для вращения турбины с подогревом; или ядерный синтез, при котором атомы водорода сливаются в контролируемых условиях, высвобождая невероятное количество энергии.

Альтернативные и возобновляемые источники энергии
Во многих случаях альтернативные источники энергии также являются возобновляемыми. Тем не менее эти термины не полностью взаимозаменяемы, поскольку многие формы альтернативных источников энергии полагаются на ограниченный ресурс. К примеру, ядерная энергетика опирается на уран или другие тяжелые элементы, которые необходимо сперва добыть.

В то же время ветер, солнечная, приливная, геотермальная и гидроэлектроэнергия полагаются на источники, которые полностью возобновляемые. Лучи солнца - самый изобильный источник энергии из всех и, хоть и ограниченный погодой и временем суток, является неисчерпаемым с промышленной точки зрения. Ветер тоже никуда не девается, благодаря изменениям давления в нашей атмосфере и вращению Земли.

Развитие
В настоящее время альтернативная энергетика все еще переживает свою юность. Но эта картина быстро меняется под влиянием процессов политического давления, всемирных экологических катастроф (засух, голода, наводнений) и улучшений в технологиях возобновляемых энергий.

Например, по состоянию на 2015 год, энергетические потребности мира по-прежнему преимущественно обеспечивались углем (41,3%) и природным газом (21,7%). Гидроэлектростанции и атомная энергетика составили 16,3% и 10,6% соответственно, в то время как «возобновляемые источники энергии» (энергии солнца, ветра, биомассы и пр.) - всего 5,7%.

Это сильно изменилось с 2013 года, когда мировое потребление нефти, угля и природного газа составило 31,1%, 28,9% и 21,4% соответственно. Ядерная и гидроэлектроэнергия составляли 4,8% и 2,45%, а возобновляемые источники - всего 1,2%.

Кроме того, наблюдалось увеличение числа международных соглашений относительно обуздания использования ископаемого топлива и развития альтернативных источников энергии. Например, Директиву о возобновляемой энергии, подписанную Евросоюзом в 2009 году, которая установила цели по использованию возобновляемой энергии для всех стран-участниц к 2020 году.

По своей сути, из этого соглашения следует, что ЕС будет удовлетворять не менее 20% общего объема своих потребностей в энергии возобновляемой энергией к 2020 году и по меньшей мере 10% транспортного топлива. В ноябре 2016 года Европейская комиссия пересмотрела эти цели и установила уже 27% минимального потребления возобновляемой энергии к 2030 году.

Некоторые страны стали лидерами в области развития альтернативной энергетики. Например, в Дании энергия ветра обеспечивает до 140% потребностей страны в электроэнергии; излишки поставляются в соседние страны, Германию и Швецию.

Исландия, благодаря своему расположению в Северной Атлантике и ее активным вулканам, достигла 100% зависимости от возобновляемых источников энергии уже в 2012 году за счет сочетания гидроэнергетики и геотермальной энергии. В 2016 году Германия приняла политику поэтапного отказа от зависимости от нефти и ядерной энергетики.

Долгосрочные перспективы альтернативной энергетики являются чрезвычайно позитивными. Согласно отчету 2014 году Международного энергетического агентства (МЭА), на фотовольтаическую солнечную энергию и солнечную тепловую энергию будет приходиться 27% мирового спроса к 2050 году, что сделает ее крупнейшим источником энергии. Возможно, благодаря достижениям в области синтеза, ископаемые источники топлива будут безнадежно устаревшими уже к 2050 году.

Электростанции связаны друг с другом и отдают электроэнергию в энергосистему региона или страны. Из этой системы получают электроэнергию разнообразные по составу, мощности, режиму работы и другим показателям потребители. Такое объединение в энергосистему позволяет: уменьшить суммарную установленную мощность электростанций; резервировать мощность за счет возможного маневрирования станций разного типа; уменьшить общий расход топлива; увеличить надёжность электроснабжения потребителей за счет дополнительных взаимных связей; повысить экономичность выработки электроэнергии путём оптимального распределения электрических нагрузок между станциями различных типов.

Рис.1.14.

Суммарная электрическая нагрузка группы потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, зависит от многих факторов: состав потребителей, их мощность, режим работы, используемая технология и оборудование, время суток и года, климатические условия и т.д. Примерный суточный график электрической нагрузки промышленного района представлен на рис.1.14. Для него характерны неизменная за сутки (базисная) нагрузка Р3; слабопеременная (полупиковая) нагрузка от Р3 до Р2; пиковая нагрузка Р1. В каждый момент времени в электроэнергетической системе должен существовать баланс вырабатываемой и потребляемой мощности (с учетом потерь). В противном случае режим работы энергосистемы в целом и отдельных ее элементов может стать аварийным вплоть до "развала", т.е. полного отключения друг от друга всех источников и потребителей электроэнергии. Для поддержания баланса мощности необходимо регулировать, изменять мощность, генерируемую на электростанциях. Разная мощность и инерционность энергоблоков обусловливают определенные закономерности их использования, как с технической, так и с экономической точки зрения. Базисную нагрузку несут наиболее мощные и инерционные электростанции - АЭС и крупные ТЭС, ГРЭС. Полупиковую нагрузку покрывают маневренные агрегаты ГЭС, ГАЭС и ТЭЦ. Пиковую нагрузку обеспечивают гидрогенераторы, ГТУ, ПГУ.

Конкретный состав электростанций в регионе может частично менять рассмотренный вариант распределения нагрузок, но общие принципы остаются неизменными.

Использование альтернативных источников энергии

Рост народонаселения, промышленное и социальное развитие общества требуют значительного увеличения производства энергии. При этом к середине двадцать первого века станет вполне реальной острая нехватка органических энергоносителей, которые дают сегодня около 80% всей востребованной энергии. Стоимость добычи и транспортировки топлива постоянно растет, и процесс этот будет продолжаться, т.к. новые месторождения зачастую находятся в удалённых, труднодоступных районах, на значительной глубине залегания. Удорожание топлива связано и с тем, что нефть, газ, уголь являются важным сырьем для многих, отраслей промышленности, и утверждение “топить нефтью всё равно, что топить ассигнациями” не теряет своей актуальности.

Поэтому проводятся работы по поиску новых, альтернативных видов источников энергии, в том числе возобновляемых и экологически чистых. Некоторые из этих разработок рассмотрены ниже.

Магнитогидродинамические (МГД) установки. Принцип работы этих установок позволяет непосредственно преобразовывать тепловую энергию в электрическую (рис.1.15). Между металлическими пластинами 1, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя 2 ионизированного газа. В соответствии с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Отсутствие в МГД-генераторе движущихся частей позволяет достичь температуры рабочего тела 2550…2600 0С на входе и обеспечить КПД термического цикла 70...75%.

MГД-yстановки могут работать по различиям схемам. Один из вариантов - с ядерным реактором по замкнутому циклу (рис.1.15.б.). Рабочее тело (аргон или гелий с добавлением цезия) нагревается в ядерном реакторе или в высокотемпературном теплообменнике 3 и поступает в МГД-канал 4, где тепловая энергия движущейся плазмы превращается в электрическую. Отработавшие в МГД-канале газы, имеющие температуру около 1500 0С, поступают в парогенератор 5, который обеспечивает работу паротурбинной установки 6. МГД-цикл замыкается через компрессор 7, который возвращает газ в реактор или в теплообменник 3.

Рис.1.15.

а - принцип работы МГД- генератора; б - МГД- установка с ядерным реактором.

Мощность опытно-промышленной МГД-установки составляет 25 МВт. В стадии технического освоения находится установка мощностью 500 МВт. В этом процессе есть ряд трудностей, сдерживающих темпы внедрения МГД-генераторов: создание магнитных полей с высокой индукцией; достижение высокой проводимости плазмы при температурах до 2400…2500 0С; создание термо-жаростойких материалов; получение переменного тока, который приходится инвертировать из постоянного, вырабатываемого МГД-установкой. Тем не менее, разработка и внедрение МГД-генераторов имеет достаточно хорошие перспективы.

Термоядерные установки. Создание промышленных установок такого типа способно практически полностью решить проблему получения необходимого количества энергии. Запас изотопов дейтерия и трития, исходного топлива для термоядерных реакторов, на Земле практически неограничен. В процессе термоядерной реакции выделяется колоссальная энергия. Это происходит на Солнце, а также при взрыве водородной бомбы. Чтобы управлять таким процессом, следует обеспечить ряд условий: плотность топлива не менее 1015 ядер в 1 см3; температура 100…500?106 градусов. Данное состояние топлива должно удерживаться, доли секунды.

Работы по созданию термоядерного реактора интенсивно проводились в СССР, США, Японии. Были получены определённые положительные результаты, например, установка "ТОКОМАК" в институте атомной энергии им. И.В.Курчатова. Однако технические и научные проблемы пока не позволили создать реальную промышленную термоядерную установку.

Солнечные электростанции. Земля получает ежегодно от Солнца 1017 Вт энергии, что в 20000 раз больше современного уровня потребления. Естественным является преобразование солнечной энергии в тепловую. Такие установки используются человеком издревле. Известен и достаточно простой способ преобразования солнечной энергии в электрическую - с помощью фотоэлементов. Поэтому работы по созданию солнечных электростанций (СЭлС) проводятся во многих странах. Особое значение при этом имеет экологическая чистота и возобновляемость такого энергоресурса. В результате за последние 50 лет сооружены десятки СЭлС в США, Австралии, Италии, Океании и других, климатически пригодных регионах. В СССР была построена Крымская СЭС мощностью 5 МВт, проектировалась станция в Средней Азии общей мощностью 200 МВт.

Однако существуют значительные трудности по созданию и использованию СЭлС, которые не позволяют пока солнечным электрическим станциям в полном объеме конкурировать с ТЭС и ГЭС. Это непостоянство солнечного излучения по времени суток, года и в зависимости от погодных условий; низкая плотность излучения у поверхности Земли; недостаточные технические характеристики существующих фотоэлементов и сложность их утилизации. КПД установок СЭлС составляет в настоящее время около I5%, а получение значительных мощностей связано с размещением оборудования на больших территориях в десятки квадратных километров и соответствующим расходом материалов. Тем не менее, работы по совершенствованию СЭлС продолжается.

Геотермальные станции (ГеоТЭС). Такие станции в качестве источника энергии используют тепло земных недр. Основные типы ГеоТЭС работают на горячей воде под давлением, на воде с паром, на сухом паре или газе (петротермальная энергия).

В среднем на каждые 30...40 м в глубь Земли температура возрастает на 1 0С и на глубине 10…15 километров она достигает 1000-- 1200 0С. В некоторых же частях планеты температура достаточно высока в непосредственной близости от поверхности. В этих местах бьют мощные горячие подземные воды, пар, газ. Здесь могут быть размещены ГеоТЭС. Например, в долине Гейзеров в США общая мощность ГеоТЭС составляет 900 МВт, ГеоТЭС Ларделло в Италии мощностью 420 МВт, станция Вайракет в Новой Зеландии - 290 МВт. Работают достаточно мощные ГеоТЭС в Мексике, Японии, Исландии и в других странах. Российская ГеоТЭС на Камчатке имеет мощность 5 МВт.

Экологическая чистота, возобновляемость тепловой энергии Земли, достаточная простота конструкции являются несомненными достоинствами ГеоТЭС.

Недостатки геотермальных станций - жесткая привязка к месту выхода тепла на поверхность Земли и ограниченные параметры рабочего тела по давлению и температуре.

Приливные электростанции (ПЭС). Современные ПЭС используют фазу прилива и отлива, их агрегаты (турбины) обратимы и работают при движении воды из моря в залив и наоборот (рис.1.16). Такие установки способны работать в турбинном и насосном режиме.

ПЭС работают в России (Кислогубская, 400 кВт), Японии, Франции и других странах. Наиболее мощная ПЭС расположена в устье реки Ранс во Франции - 240 МВт.

Рис.1.16.

а - вид сверху; б - разрез

ВГП - высший горизонт прилива; ВГО - высший горизонт отлива

Приливная энергия экологически чиста, возобновляема, неизменна в годовом и многолетнем периодах, однако, значительно меняется в течение лунного месяца и может быть использована только в конкретных географических точках на побережьях морей и океанов при наличии необходимого рельефа.

Электростанции, использующие морскую энергию. Энергия волн, течений, градиентов температур и солености морей и океанов может быть преобразована в электрическую. Спроектированы и испытаны несколько типов преобразовательных установок. Например, турбина "Кориолис" мощностью 80 МВт предназначена для станций, использующих океанические течения.

Ветровые электростанции (ВЭС). Человек всегда использовал энергию ветра. Преобразование этой энергии в электрическую принципиально весьма просто. В СССР уже в 20-е годы была сооружена Курская ВЭС мощностью 8 кВт. Крупнейшая в мире установка мощностью 1050 кВт в одном агрегате работала в США с 1941 г.

Однако при определённых достоинствах (экологическая чистота, возобновляемость, простота и дешевизна использования), энергия ветра имеет и существенные недостатки, ограничивающие строительство ВЭС. Это большая неравномерность плотности ветровой энергии, зависимость от географических, климатических, метеорологических факторов и др. Поэтому в настоящее время экономически оправданными являются ВЭС ограниченной мощности локального использования.

Перспективы динамики развития электрических станций

Динамика развития мировой и отечественной энергетики указывает на то, что в ближайшее время примерно сохранится существующий баланс между ТЭС, АЭС и ГЭС. Приоритет при этом будет отдан газоугольной стратегии, а использование мазута на ТЭС будет снижаться. Мировые цены на энергоносители, подверженные влиянию многочисленных факторов, способны в различной степени и на различных временньiх интервалах скорректировать указанную стратегию.

Дальнейшее развитие получат ПГУ и ГТУ. Из сравнительно новых направлений приоритетными являются МГД-установки.

Будет развиваться нетрадиционная энергетика (солнечная, приливная, геотермальная), использующая экологически чистые возобновляемые природные ресурсы. Продолжатся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию и освоению термоядерных установок, термоэлектрических, радиоизотопных, термоэмиссионных, электрохимических генераторов и других агрегатов. Отдельное и очень важное направления работ - энергосбережение всех видов ТЭР, тепловой и электрической энергии.

Для решения проблемы ограниченности ископаемых видов топлива исследователи во всем мире работают над созданием и внедрением в эксплуатацию альтернативных источников энергии. И речь идет не только о всем известных ветряках и солнечных батареях. На смену газу и нефти может прийти энергия от водорослей, вулканов и человеческих шагов. Recycle выбрал десять самых интересных и экологически чистых энерго-источников будущего.

Джоули из турникетов

Тысячи людей каждый день проходят через турникеты при входе на железнодорожные станции. Сразу в нескольких исследовательских центрах мира появилась идея использовать поток людей в качестве инновационного генератора энергии. Японская компания East Japan Railway Company решила оснастить каждый турникет на железнодорожных станциях генераторами. Установка работает на вокзале в токийском районе Сибуя: в пол под турникетами встроены пьезоэлементы, которые производят электричество от давления и вибрации, которую они получают, когда люди наступают на них.

Другая технология «энерго-турникетов» уже используется в Китае и в Нидерландах. В этих странах инженеры решили использовать не эффект нажатия на пьезоэлементы, а эффект толкания ручек турникета или дверей-турникетов. Концепция голландской компании Boon Edam предполагает замену стандартных дверец при входе в торговые центры (которые обычно работают по системе фотоэлемента и сами начинают крутиться) на двери, которые посетитель должен толкать и таким образом производить электроэнергию.

В голландском центре Natuurcafe La Port такие двери-генераторы уже появились. Каждая из них производит около 4600 киловатт-час энергии в год, что на первый взгляд может показаться незначительным, но служит неплохим примером альтернативной технологии по выработке электричества.

Водоросли отапливают дома

Водоросли стали рассматриваться в качестве альтернативного источника энергии относительно недавно, но технология, по мнению экспертов, очень перспективна. Достаточно сказать, что с 1 гектара площади водной поверхности, занятой водорослями, в год можно получать 150 тысяч кубометров биогаза. Это приблизительно равно объёму газа, который выдает небольшая скважина, и достаточно для жизнедеятельности небольшого поселка.

Зеленые водоросли просты в содержании, быстро растут и представлены множеством видов, использующих энергию солнечного света для осуществления фотосинтеза. Всю биомассу, будь то сахара или жиры, можно превратить в биотопливо, чаще всего в биоэтанол и биодизельное топливо. Водоросли — идеальное эко-топливо, потому что растут в водной среде и не требуют земельных ресурсов, обладают высокой продуктивностью и не наносят ущерба окружающей среде.

По оценкам экономистов, к 2018 году глобальный оборот от переработки биомассы морских микроводорослей может составить около 100 млрд долларов. Уже существуют реализованные проекты на «водорослевом» топливе — например, 15-квартирный дом в немецком Гамбурге. Фасады дома покрыты 129 аквариумами с водорослями, служащими единственным источником энергии для отопления и кондиционирования здания, получившего название Bio Intelligent Quotient (BIQ) House.

«Лежачие полицейские» освещают улицы

Концепцию выработки электроэнергии при помощи так называемых «лежачих полицейских» начали реализовывать сначала в Великобритании, затем в Бахрейне, а скоро технология дойдет и до России. Все началось с того, что британский изобретатель Питер Хьюс создал «Генерирующую дорожную рампу» (Electro-Kinetic Road Ramp) для автомобильных дорог. Рампа представляет собой две металлические пластины, немного поднимающиеся над дорогой. Под пластинами заложен электрический генератор, который вырабатывает ток всякий раз, когда автомобиль проезжает через рампу.

В зависимости от веса машины рампа может вырабатывать от 5 до 50 киловатт в течение времени, пока автомобиль проезжает рампу. Такие рампы в качестве аккумуляторов способны питать электричеством светофоры и подсвечиваемые дорожные знаки. В Великобритании технология работает уже в нескольких городах. Способ начал распространяться и на другие страны — например, на маленький Бахрейн.

Самое удивительное, что нечто подобное можно будет увидеть и в России. Студент из Тюмени Альберт Бранд предложил такое же решение по уличному освещению на форуме «ВУЗПромЭкспо». По подсчетам разработчика, в день по «лежачим полицейским» в его городе проезжает от 1000 до 1500 машин. За один «наезд» автомобиля по оборудованному электрогенеретором «лежачему полицейскому» будет вырабатываться около 20 ватт электроэнергии, не наносящей вред окружающей среде.

Больше, чем просто футбол

Разработанный группой выпускников Гарварда, основателей компании Uncharted Play, мяч Soccket может за полчаса игры в футбол сгенерировать электроэнергию, которой будет достаточно, чтобы несколько часов подпитывать LED-лампу. Soccket называют экологически чистой альтернативой небезопасным источникам энергии, которые нередко используются жителями малоразвитых стран.

Принцип аккумулирования энергии мячом Soccket довольно прост: кинетическая энергия, образуемая от удара по мячу, передается крошечному механизму, похожему на маятник, который приводит в движение генератор. Генератор производит электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторе. Сохраненная энергия может быть использована для питания любого небольшого электроприбора — например, настольной лампы со светодиодом.

Выходная мощность Soccket составляет шесть ватт. Генерирующий энергию мяч уже завоевал признание мирового сообщества: получил множество наград, был высоко оценен организацией Clinton Global Initiative, а также получил хвалебные отзывы на известной конференции TED.

Скрытая энергия вулканов

Одна из главных разработок в освоении вулканической энергии принадлежит американским исследователям из компаний-инициаторов AltaRock Energy и Davenport Newberry Holdings. «Испытуемым» стал спящий вулкан в штате Орегон. Соленая вода закачивается глубоко в горные породы, температура которых благодаря распаду имеющихся в коре планеты радиоактивных элементов и самой горячей мантии Земли очень высока. При нагреве вода превращается в пар, который подается в турбину, вырабатывающую электроэнергию.

На данный момент существуют лишь две небольшие действующие электростанции подобного типа - во Франции и в Германии. Если американская технология заработает, то, по оценке Геологической службы США, геотермальная энергия потенциально способна обеспечить 50% необходимого стране электричества (сегодня ее вклад составляет лишь 0,3%).

Другой способ использования вулканов для получения энергии предложили в 2009 году исландские исследователи. Рядом с вулканическими недрами они обнаружили подземный резервуар воды с аномально высокой температурой. Супер-горячая вода находится где-то на границе между жидкостью и газом и существует только при определенных температуре и давлении.

Ученые могли генерировать нечто подобное в лаборатории, но оказалось, что такая вода встречается и в природе — в недрах земли. Считается, что из воды «критической температуры» можно извлечь в десять раз больше энергии, чем из воды, доведенной до кипения классическим образом.

Энергия из тепла человека

Принцип термоэлектрических генераторов , работающих на разнице температур, известен давно. Но лишь несколько лет назад технологии стали позволять использовать в качестве источника энергии тепло человеческого тела. Группа исследователей из Корейского ведущего научно-технического института (KAIST) разработала генератор, встроенный в гибкую стеклянную пластинку.

Т акой гаджет позволит фитнес-браслетам подзаряжаться от тепла человеческой руки — например, в процессе бега, когда тело сильно нагревается и контрастирует с температурой окружающей среды. Корейский генератор размером 10 на 10 сантиметров может производить около 40 милливат энергии при температуре кожи в 31 градус Цельсия.

Похожую технологию взяла за основу молодая Энн Макосински, придумавшая фонарик, заряжающийся от разницы температур воздуха и человеческого тела. Эффект объясняется использованием четырех элементов Пельтье: их особенностью является способность вырабатывать электричество при нагреве с одной стороны и охлаждении с другой стороны.

В итоге фонарик Энн производит довольно яркий свет, но не требует батарей-акуумуляторов. Для его работы необходима лишь температурная разница всего в пять градусов между степенью нагрева ладони человека и температурой в комнате.

Шаги по «умной» тротуарной плитке

На любую точку одной из оживленных улиц приходится до 50000 шагов в день. Идея использовать пешеходный поток для полезного преобразования шагов в энергию была реализована в продукте, разработанном Лоуренсом Кемболл-Куком, директором британской Pavegen Systems Ltd. Инженер создал тротуарную плитку, генерирующую электроэнергию из кинетической энергии гуляющих пешеходов.

Устройство в инновационной плитке сделано из гибкого водонепроницаемого материала, который при нажатии прогибается примерно на пять миллиметров. Это, в свою очередь, создаёт энергию, которую механизм преобразует в электричество. Накопленные ватты либо сохраняются в литиевом полимерном аккумуляторе, либо сразу идут на освещение автобусных остановок, витрин магазинов и вывесок.

Сама плитка Pavegen считается абсолютно экологически чистой: ее корпус изготовлен из нержавеющей стали специального сорта и переработанного полимера с низким содержанием углерода. Верхняя поверхность изготовлена из использованных шин, благодаря этому плитка обладает прочностью и высокой устойчивостью к истиранию.

Во время проведения летней Олимпиады в Лондоне в 2012 году плитку установили на многих туристических улицах. За две недели удалось получить 20 миллионов джоулей энергии. Этого с избытком хватило для работы уличного освещения британской столицы.

Велосипед, заряжающий смартфоны

Чтобы подзарядить плеер, телефон или планшет, необязательно иметь под рукой розетку. Иногда достаточно лишь покрутить педали. Так, американская компания Cycle Atom выпустила в свет устройство, позволяющее заряжать внешний аккумулятор во время езды на велосипеде и впоследствии подзаряжать мобильные устройства.

Продукт, названный Siva Cycle Atom, представляет собой легкий велосипедный генератор с литиевым аккумулятором, предназначенным для питания практически любых мобильных устройств, имеющих порт USB. Такой мини-генератор может быть установлен на большинстве обычных велосипедных рам в течение считанных минут. Сам аккумулятор легко снимается для последующей подзарядки гаджетов. Пользователь занимается спортом и крутит педали — а спустя пару часов его смартфон уже заряжен на 100 поцентов.

Компания Nokia в свою очередь тоже представила широкой публике гаджет, присоединяемый к велосипеду и позволяющий переводить кручение педалей в способ получегия экологически безопасной энергии. Комплект Nokia Bicycle Charger Kit имеет динамо-машину, небольшой электрический генератор, который использует энергию от вращения колес велосипеда и подзаряжает ей телефон через стандартный двухмиллиметровый разъем, распространенный в большинстве телефонов Nokia.

Польза от сточных вод

Любой крупный город ежедневно сбрасывает в открытые водоемы гигантское количество сточных вод , загрязняющих экосистему. Казалось бы, отравленная нечистотами вода уже никому не может пригодиться, но это не так — ученые открыли способ создавать на ее основе топливные элементы.

Одним из пионеров идеи стал профессор Университета штата Пенсильвания Брюс Логан. Общая концепция весьма сложная для понмания неспециалиста и построена на двух столпах — применении бактериальных топливных ячеек и установке так называемого обратного электродиализа. Бактерии окисляют органическое вещество в сточных водах и производят в данном процессе электроны, создавая электрический ток.

Для производства электричества может использоваться почти любой тип органического отходного материала - не только сточные воды, но и отходы животноводства, а также побочные продукты производств в виноделии, пивоварении и молочной промышленности. Что касается обратного электродиализа, то здесь работают электрогенераторы, разделенные мембранами на ячейки и извлекающие энергию из разницы в солености двух смешивающихся потоков жидкости.

«Бумажная» энергия

Японский производитель электроники Sony разработал и представил на Токийской выставке экологически чистых продуктов био-генератор, способный производить электроэнергию из мелко нарезанной бумаги. Суть процесса заключается в следующем: для выделения целлюлозы (это длинная цепь сахара глюкозы, которая находится в зеленых растениях) необходим гофрированный картон.

Цепь разрывается с помощью ферментов, а образовавшаяся от этого глюкоза подвергается обработке другой группой ферментов, с помощью которых высвобождаются ионы водорода и свободные электроны. Электроны направляются через внешнюю цепь для выработки электроэнергии. Предполагается, что подобная установка в ходе переработки одного листа бумаги размером 210 на 297 мм может выработать около 18 Вт в час (примерно столько же энергии вырабатывают 6 батареек AA).

Метод является экологически чистым: важным достоинством такой «батарейки» является отсутствие металлов и вредных химических соединений. Хотя на данный момент технология еще далека от коммерциализации: электричества вырабатывается достаточно мало - его хватает лишь на питание небольших портативных гаджетов.

В прошлом году каждый день в мире устанавливалось 500 000 солнечных панелей. В Китае каждый час запускается две ветряные установки. На наших глазах происходит беспрецедентная «зелёная» революция, которая кардинально изменит расклад сил на энергетическом рынке. Темпы установки солнечных панелей бьют все рекорды. И это только начало, ведь стоимость ветряков, а тем более солнечных панелей постоянно снижается.

Исходя из последних фактических данных за 2015 год, эксперты Международного энергетического агентства вынуждены пятилетний прогноз по развитию альтернативной энергетики в мире. Прогноз по генерируемой мощности от возобновляемых источников энергии на ближайшие пять лет существенно повышен.

«Мы наблюдаем трансформацию глобальных энергетических рынков под влиянием возобновляемых источников», - признал исполнительный директор Международного энергетического агентства Фатих Бирол (Fatih Birol). Он согласился, что рост частично вызван кардинальным падением цен на оборудование для солнечных и ветряных энергостанций. Такие цены как сейчас «невозможно было представить» пять лет назад. Так, стоимость установки ветровой электростанции с 2010 по 2015 годы упала на 30%, а стоимость больших солнечных электростанций - в три раза.

Главнейшими источниками для генерации электричества по-прежнему остаются ископаемое топливо, такое как уголь и нефть, но прогресс в развитии этих архаичных технологий не идёт ни в какое сравнение с прогрессом в области солнечной и ветровой энергии.

Агентство прогнозирует дальнейшее снижение стоимости ветряков и солнечных энергостанций на ближайшие пять лет: на 15% и 25%, соответственно. Судя по всему, это довольно консервативная оценка. Вполне возможно, прогнозы опять придётся пересматривать из-за ещё более бурного роста солнечной и ветряной энергетики. Отчёт Medium-Term Renewable Energy Market Report 2016 посвящён временному периоду с 2015 по 2021 годы. Прогноз на этот отрезок пересмотрен на 13% в сторону повышения. По оценке экспертов, установленные мощности за данный отрезок увеличатся не на 730 ГВт, а на 825 ГВт. Это связано с принятием более строгого законодательства США, Китае, Индии и Мексике.

За прошлый год в мире установлено 153 ГВт мощностей в энергетике. Больше половины из них представляют солнечные станции (49 ГВт) и ветряные станции (63 ГВт). Введено в строй больше мощностей, чем генерируют некоторые страны «большой восьмёрки» - например, Канада.

Солнечные и ветряные станции добавили за год больше мощности, чем электростанции на угле, газе и ядерном топливе. Такое достижение позволило возобновляемым природным ресурсам обойти уголь и выйти на первое место в мире по темпам прироста установленной мощности.

«Установленная мощность» в альтернативной энергетике - это довольно условный показатель. Солнце не светит круглосуточно, а ветер дует с переменной скоростью в разных направлениях. Поэтому реальное производство электроэнергии из возобновляемых ресурсов гораздо ниже, чем установленные мощности. По этому показателю возобновляемые источники очень сильно отстают.

Генерация электричества по видам топлива в 2014 году. Источник:

Судя по всему, чтобы обогнать ископаемое топливо по генерации электричества, следует установить в разы больше генерируемой мощности, чем сейчас.

Мировая генерация электричества с 1971 по 2014 годы по видам топлива (ТВт⋅ч). Источник: Key world energy statistics 2016 , Международное энергетическое агентство

По последним данным Международного энергетического агентства за 2015 год, уголь обеспечил 39% мировой генерации электричества, а все возобновляемые источники, включая ГЭС, - всего 23%. По прогнозу, доля возобновляемых источников к 2021 году вырастет до 28%. В этом случае возобновляемые ресурсы будут генерировать более 7600 ТВт⋅ч - больше электричества, чем сейчас генерируют США и страны Евросоюза, вместе взятые.

Принятие более строгого законодательство в некоторых странах в поддержку возобновляемой энергетики связано не только с ратификацией Парижского соглашения в рамках Конвенции ООН об изменении климата на год раньше, чем прогнозировалось. Это связано ещё и с серьёзными экологическими проблемами в некоторых странах. Например, из-за сильного загрязнения воздуха в Китае эта страна стремится теперь активно продвигать альтернативную энергетику. Сейчас примерно 40% новых мощностей возобновляемой энергетики в мире приходится именно на Китай (в том числе 50% ветряных установок).

Эксперты предупреждают, однако, что прогнозируемый рост альтернативной энергетики сильно зависит от государственной поддержки, которая часто меняется в разных странах. Неустойчивая природа солнечной и ветряной энергии тоже несёт определённые риски для операторов.

Тем не менее, во всём мире энергостанций на возобновляемых источниках сейчас вводят больше , чем на ископаемом топливе. В Евросоюзе и США установленная мощность альтернативной энергетики ежегодно превышает новые потребности экономики. То есть сейчас вообще нет смысла строить новые ТЭЦ на угле и газе, и можно постепенно закрывать старые.

В целом, хотя падение цен и темпы роста сильно впечатляют, но чтобы использование энергии солнца и ветра действительно помогло добиться глобальных экологических целей, нужно совершить серьёзные шаги в энергетике и транспорте, считают эксперты Международного энергетического агентства.

Без электроэнергии жизнь любого дома практически немыслима: электричество помогает в приготовлении пищи, отоплении помещения, закачке в него воды и в простом освещении. Но что делать, если там, где вы живете, еще нет коммуникаций, то на помощь придут альтернативные источники электроэнергии.

В нашем обзоре мы собрали несколько распространенных в быту альтернативных источников электричества, которые широко применяются как в России, так и в европейских странах и на американском континенте. Во многом они, конечно, дороже и более сложны в эксплуатации, чем центральная энергосеть; однако финансовые вложения будут полностью оправданы качественной и надежной службой, а также созданием благоприятной экологической среды.

Электрогенераторы

Самый популярный в России альтернативный источник энергии, который больше всего востребован в частных загородных домах. По типу используемого горючего электрогенераторы бывают дизельными, бензиновыми и газовыми.

Дизельные генераторы обладают массой преимуществ, среди которых экономичность, надежность и небольшой риск возникновения пожара. Если использовать дизельный генератор регулярно, то он гораздо выгодней моделей, работающих на газе или на бензине. Расход топлива дизельного оборудования не велик, цена на дизель также держится на невысоком уровне, он не потребует дорогостоящего ремонта.

Недостатки дизельного генератора – большое количество газов, выделяемых при работе, шум и высокая стоимость самого аппарата. Цена «среднего» оборудования с выходной мощностью около 5 кВт в среднем составляет около 23 000 рублей; впрочем, за одно лето работы он полностью себя окупает.

Бензиновый генератор идеально подойдет как резервный или сезонный источник тока. По сравнению с дизельными, бензиновые генераторы имеют небольшие размеры, издают мало шума при работе, и по стоимости ниже - средняя цена бензинового генератора мощностью 5 кВт колеблется в диапазоне 14 -17 тысяч рублей. Недостаток у бензинового генератора – большой расход топлива, да и высокий уровень выделяемого углекислого газа потребует от вас размещения электрогенератора в отдельном помещении.

Газовые генераторы – пожалуй, самые «выгодные» для применения в быту модели, которые отлично рекомендовали себя со всех сторон: они могут работать как от природного газа, так и от сжиженного топлива в баллонах. Уровень шума данного прибора очень низкий, а долговечность самая высокая; при этом цены лежат в умеренном диапазоне: за «домашний» прибор мощностью около 5 кВт придется отдать около 18 тысяч рублей.

Жизнь под солнцем

С каждым годом все популярнее становится еще один альтернативный источник электроэнергии – энергия солнца. Ее можно использовать не только для выработки электрической энергии, но и для обеспечения автономного отопления. На крышу, а иногда и на стены, устанавливаются солнечные батареи различной площади, которые имеют аккумулятор и инвертор; некоторое время назад мы писали об инновационной технологии – черепице со встроенными фотоэлементами (). Вот преимущества, которые обеспечивают солнечные батареи:

Использование возобновляемого источника энергии;
Абсолютно бесшумная работа;
Экологическая безопасность, отсутствие каких-либо выбросов в атмосферу;
Простой монтаж, возможность самостоятельной установки.

Особенно часто можно встретить солнечные батареи на европейском и российском юге, где количество солнечных дней и зимой, и летом превышает количество пасмурных. Но есть и свои нюансы, о которых также необходимо помнить:

Даже при самом «солнечном» раскладе погоды суммарная мощность всех установленных фотоэлементов вряд ли превысит 5-7 кВт в час. Поэтому, если учитывать хотя бы приблизительную оценку, что на обогрев дома требуется энергия из расчета 1 кВт на 10 квадратных метров, то получаем, что на полностью «солнечном» питании может жить только небольшой дачный домик; двух-трехэтажные дома все-таки потребуют от вас дополнительных источников энергии, особенно если расход воды и света также велик.

Но даже если домик маленький, то на установку оборудования придется выделить не менее 10 квадратных метров земли, поэтому на стандартных шести сотках с огородом и садом это представляется маловероятным.

И, конечно, есть вполне «природные» сложности – это зависимость от суточных и сезонных колебаний солнечного излучения: никто не гарантирует нам солнечной погоды даже летом. И еще один момент: хоть сами фотоэлементы и не выделяют токсичных веществ при работе, однако их утилизация не так проста, нужно сдавать их в специальные приемные пункты – так же, как и отработанные батарейки.

Стоимость готовой станции начинается от 100 тысяч рублей, что тоже устраивает далеко не всех. Впрочем, солнечную энергию можно использовать и более «дешевым» способом: установить на участок коллектор для нагрева воды – он будет улавливать тепло в дневное время даже в пасмурные и дождливые дни. В принципе, суточную потребность в горячей воде коллектор для нагрева полностью удовлетворяет, а цена его начинается от 30 000 рублей. Но этот вид оборудования не вырабатывает электричество и способен функционировать только в южных регионах, где солнечная активность достаточно высока.

С ветерком!

Установки для преобразования ветряной энергии в электричество уже не являются фантастическим техногенным будущим – достаточно посмотреть на поля в Германии и в Голландии, чтобы убедиться в повсеместном распространении ветряков.

Немного школьной физики: кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию вращения турбины, а инвертор, в свою очередь, генерирует переменный ток. Необходимо помнить вот о чем: минимальная скорость ветра, при которой будет образовываться электричество от маховика – 2 м/с, а оптимально, если скорость ветра будет в районе 5– 8 м/с; именно поэтому ветрогенераторы особенно популярны в северо-западных регионах Европы, где среднегодовая скорость ветра весьма высока. По типу конструкции ветряные генераторы различаются на горизонтальные и вертикальные: это зависит от крепления ротора.

Горизонтальная конструкция генератора хороша высоким показателем КПД, при монтаже будет использоваться небольшое количество материалов. Но придется столкнуться с некоторыми трудностями: для монтажа потребуется высокая мачта, а сам генератор имеет сложную механическую часть, и ремонт может быть очень сложным.

Вертикальные генераторы могут функционировать в большем диапазоне скоростей ветра; но при этом их установка гораздо сложнее, и для крепления мотора понадобится дополнительная фиксация.

Чтобы сгладить разницу между ветреным сезоном и штилем и питать дом электрическим током бесперебойно, ветряная станция обычно снабжается накопительным аккумулятором. Еще одной альтернативой установки аккумуляторной батареи к ветряной станции станет водонакопительный бак, который используется как для отопления, так и для горячего водоснабжения. В таком случае вам удастся немного сэкономить на покупке – впрочем, стоимость ветрогенератора все равно останется высокой: около 300 тысяч рублей, без аккумулятора – около 250 тысяч.

Еще один нюанс, который следует учитывать при обустройстве ветряной станции – необходимость создания фундамента под оборудование. Фундамент нужно укреплять с особенной тщательностью, если в вашей местности скорость ветра периодически превышает 10 -15 метров в секунду. А в зимний период необходимо будет следить, чтобы лопасти ветростанции не обледеневали, это сильно снижает КПД. Кроме того, вибрации и шум от работы ветряка становятся причиной того, что станцию желательно размещать не менее чем в 15 метрах от жилого дома.

Живая польза

О биотопливе как об «экологической технологии будущего» сейчас говорят везде и всюду. Вокруг него разгорелась масса споров и противоречивых отзывов: оно привлекательно в качестве топлива для машин, так как имеет привлекательную цену, но при этом многие водители подозревают негативное влияние биоматериала на мотор и мощность. Оставим в стороне автомобильные проблемы: ведь биотопливо может использоваться не только в качестве горючего для транспортных средств, но и как источник электрического тока: им можно заменить газ, бензин и дизель при заправке оборудования.

Биотопливо производится путем переработки растительных остатков – стеблей и семян. Для изготовления биологического дизеля применяют жиры из семян масляных культур, а бензин производят путем ферментации кукурузы, сахарного тростника, свеклы и других растений. Наиболее оптимальным источником биологической энергии признаны водоросли, так как они неприхотливы в выращивании и легко превращаются в биомассу с похожими на нефть маслянистыми свойствами.

По данной технологии также получают биологический газ, который собирают при брожении органических отходов пищевой промышленности и животноводства: на 95 % он состоит из метана. Экологические технологии позволяют собирать природный газ на...свалках! 1 тонна бесполезного мусора производит до 500 кубометров полезного газа, который потом превращается в целлюлозный этанол.

Если говорить о бытовом использовании биотоплива для выработки электрической энергии, то для этой цели нужно приобрести индивидуальную биогазовую установку, которая будет вырабатывать природный газ из отходов. Понятно, что этот вариант реализуем только в загородном доме, где есть собственная свалка биологических отходов на улице.

Стандартная установка даст вам от 3 до 12 кубометров газа в сутки; полученный газ затем может использоваться для отопления дома и заправки различного оборудования, в том числе и газового генератора электроэнергии, о котором мы писали выше. К сожалению, биогазовые установки пока что доступны не повсеместно: отдать за нее придется как минимум 250 000 рублей.

Приручить поток

Если у вас есть в распоряжении собственная проточная вода (участок ручья или речки), то хорошим решением станет строительство индивидуальной ГЭС. По монтажу этот тип генераторов энергии относится к самым сложным, зато его КПД значительно выше, чем у всех вышеописанных источников – и ветряных, и солнечных, и биологических. ГЭС могут быть плотинными и бесплотинными, второй вариант более распространен и доступен – часто можно встретить синонимичное название «проточная станция». По своему устройству станции делятся на несколько типов:

Наиболее оптимальный и распространенный вариант, который подходит для изготовления своими руками – это станция с пропеллером или колесом; можно найти в интернете массу инструкций и полезных советов.

Самым же сложным и неудобным решением будет гирляндная установка: она имеет невысокую производительность, довольно опасна для окружающих людей, а монтаж станции потребует расхода большого количества материалов и много времени. В этом плане ротор Дарье более удобен, так как ось расположена вертикально, а установить ее можно над водой. При этом смонтировать такую станцию будет сложно, а ротор при старте необходимо вручную раскручивать.

Если приобретать готовую мини-ГЭС, то ее средняя стоимость составит около 200 тысяч рублей; самостоятельный сбор комплектующих сэкономит до 30% стоимости, но потребует много времени и сил. Что из этого лучше – решать только вам.