Энергетическая инженерия — это многопрофильная область инженерии , которая фокусируется на оптимизации энергетических систем , разработке технологий возобновляемой энергии и повышении энергоэффективности для удовлетворения растущего мирового спроса на энергию устойчивым образом . Она охватывает такие области, как сбор и хранение энергии , преобразование энергии , энергетические материалы , энергетические системы , энергоэффективность , энергетические услуги , управление объектами , проектирование предприятий, энергетическое моделирование , соблюдение экологических норм . Будучи одной из новейших инженерных дисциплин, энергетическая инженерия играет решающую роль в решении глобальных проблем, таких как изменение климата , сокращение выбросов углерода и переход от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии и устойчивой энергетике . [1]
Энергетическая инженерия — одна из новейших инженерных дисциплин. Энергетическая инженерия объединяет знания из области физики , математики и химии с экономической и экологической инженерной практикой. Инженеры-энергетики применяют свои навыки для повышения эффективности и дальнейшего развития возобновляемых источников энергии. Основная работа инженеров-энергетиков заключается в поиске наиболее эффективных и устойчивых способов эксплуатации зданий и производственных процессов. Инженеры-энергетики проверяют использование энергии в этих процессах и предлагают способы улучшения систем. Это означает предложение усовершенствованного освещения, лучшей изоляции, более эффективных свойств отопления и охлаждения зданий. [2] Хотя инженер-энергетик озабочен получением и использованием энергии наиболее экологически чистыми способами, его область не ограничивается строго возобновляемой энергией, такой как гидро-, солнечная, биомасса или геотермальная энергия. Инженеры-энергетики также работают в областях добычи нефти и природного газа. [2] [3]
Основная цель энергетической инженерии — оптимизировать производство и использование энергетических ресурсов, минимизируя при этом потери энергии и уменьшая воздействие на окружающую среду. Эта дисциплина жизненно важна для проектирования систем, которые потребляют меньше энергии, достигают целей по сокращению выбросов углерода и повышают энергоэффективность процессов в промышленном, коммерческом и жилом секторах. [4] Часто применяемая к проектированию зданий, большое внимание уделяется системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха , освещению , охлаждению , чтобы как снизить энергетические нагрузки, так и повысить эффективность существующих систем. Энергетическая инженерия все чаще рассматривается как важный шаг вперед в достижении целей по сокращению выбросов углерода . Поскольку здания и дома потребляют более 40% энергии в Соединенных Штатах, услуги, предоставляемые инженером-энергетиком, пользуются спросом. [5]
Человеческие цивилизации долгое время полагались на преобразование энергии для различных целей, от использования огня до разработки водяных колес, ветряных мельниц и, в конечном итоге, выработки электроэнергии. Формализация энергетической инженерии началась во время промышленной революции и ускорилась в середине 20-го века с достижениями в области электроэнергетических систем, ядерной энергетики и технологий возобновляемой энергии. [6] Нефтяной кризис 1973 года подчеркнул необходимость повышения энергоэффективности и энергетической независимости, что привело к созданию новых государственных программ и отраслевых стандартов. Кроме того, энергетический кризис 1979 года выявил необходимость получения большей работы из меньшего количества энергии. Правительство Соединенных Штатов приняло несколько законов для содействия повышению энергоэффективности , такие как публичный закон Соединенных Штатов 94-413, Федеральная программа стимулирования чистых автомобилей. [7]
Энергетическая инженерия , часто рассматриваемая как подвид электротехники , фокусируется на производстве, передаче, распределении и использовании электроэнергии. Эта подобласть охватывает критически важную инфраструктуру, такую как электростанции, электрические сети и системы хранения энергии , обеспечивая эффективную и надежную доставку энергии в различные секторы. Новые технологии в энергетике включают разработку интеллектуальных сетей , микросетей и передовых систем хранения энергии, таких как литий-ионные аккумуляторы и водородные топливные элементы , которые играют центральную роль в будущем интеграции возобновляемых источников энергии.
Лидерство в энергетическом и экологическом проектировании (LEED) — это программа, созданная Советом по экологическому строительству США (USGBC) в марте 2000 года. LEED — это программа, которая поощряет зеленое строительство и содействует устойчивому развитию при строительстве зданий и повышению эффективности инженерных систем в зданиях.
В 2012 году Совет по экологическому строительству США попросил независимую фирму Booz Allen Hamilton провести исследование эффективности программы LEED. «Это исследование подтвердило, что зеленые здания обеспечивают существенную экономию энергии. С 2000 по 2008 год зеленое строительство и реконструкция сгенерировали 1,3 миллиарда долларов экономии энергии. Из этих 1,3 миллиарда долларов на здания, сертифицированные LEED, пришлось 281 миллион долларов». Исследование также показало, что сумма всего зеленого строительства поддерживала 2,4 миллиона рабочих мест. [8]
Энергоэффективность рассматривается двумя способами. Первая точка зрения заключается в том, что больше работы выполняется при том же количестве использованной энергии. Другая точка зрения заключается в том, что тот же объем работы выполняется при меньшем количестве использованной энергии в системе. [9] Некоторые способы получить больше работы при меньшем количестве энергии — это «сократить, повторно использовать и переработать» материалы, используемые в повседневной жизни. Развитие технологий привело к другим видам использования отходов. Такие технологии, как объекты по переработке отходов в энергию , которые преобразуют твердые отходы в процессе газификации или пиролиза в жидкое топливо для сжигания. Агентство по охране окружающей среды заявило, что в 2010 году в Соединенных Штатах было произведено 250 миллионов тонн муниципальных отходов. Из этих 250 миллионов тонн примерно 54% выбрасывается на свалки, 33% перерабатывается и 13% отправляется на заводы по рекуперации энергии . [10] В европейских странах, которые платят больше за топливо, таких как Дания, где цена на газ приблизилась к 2,6 доллара за литр (10 долларов за галлон США) в 2010 году, более полно развиты объекты по переработке отходов в энергию. [11] В 2010 году Дания отправила 7% отходов на свалки, 69% было переработано, а 24% было отправлено на объекты по переработке отходов в энергию. Есть несколько других развитых стран Западной Европы, которые также приняли во внимание энергетическую инженерию. [10] « Energiewende » Германии , политика, которая поставила цель к 2050 году удовлетворить 80% потребностей в электроэнергии за счет возобновляемых источников энергии. [12]
По состоянию на 2023 год средняя годовая зарплата инженеров-энергетиков в США составляет от 75 000 до 95 000 долларов США в зависимости от опыта и местоположения. [13] Инженеры-энергетики с опытом в области возобновляемых источников энергии и хранения энергии, как правило, получают более высокую зарплату из-за растущего спроса на устойчивые решения. Гендерное распределение в этой области остается заметным: около 80% инженеров-мужчин, хотя предпринимаются усилия по повышению разнообразия с помощью стипендий и программ наставничества. [14] Ожидается, что рынок труда инженеров-энергетиков будет быстро расти в течение следующего десятилетия, что обусловлено переходом к чистой энергии и устойчивым решениям современных проблем климата. [15]
Чтобы стать инженером-энергетиком, обычно требуется степень бакалавра в области энергетического машиностроения или смежных областях, таких как механическая , электрическая или экологическая инженерия . Многие университеты теперь предлагают специализированные программы по энергетическому машиностроению с упором на возобновляемые источники энергии, хранение энергии и управление сетями. Расширенные сертификаты, такие как сертификат сертифицированного энергетического менеджера (CEM), предлагаемый Ассоциацией инженеров-энергетиков , и программы магистратуры по устойчивым энергетическим системам, еще больше улучшают планы карьеры. Кроме того, несколько университетов по всему миру создали кафедры или центры, предлагающие степени в области энергетического машиностроения, чтобы лучше подготовить будущих инженеров к их карьере. Одной из таких программ является сертификация IEP PEM, которая предлагается в Virginia Tech University. [16]
Новые технологии в области энергетики меняют способ производства, хранения и потребления энергии. Такие инновации, как солнечные панели следующего поколения, современные инновации ветряных турбин, системы хранения энергии (такие как проточные батареи и водородные топливные элементы ) и технологии интеллектуальных сетей прокладывают путь к более устойчивому энергетическому будущему. [17] [18] Эти технологии имеют решающее значение для снижения зависимости от ископаемого топлива и обеспечения стабильности систем возобновляемой энергии. Другие достижения включают в себя приложения искусственного интеллекта и машинного обучения для оптимизации использования энергии в режиме реального времени, а также системы улавливания и хранения углерода (CCS) для снижения выбросов от существующих электростанций.
Инженеры-энергетики играют ключевую роль в формировании энергетической политики и правил по всему миру. Их опыт имеет важное значение для установления стандартов энергоэффективности, интеграции возобновляемых источников энергии и сокращения выбросов углерода. Глобальные инициативы, такие как Парижское соглашение и Европейский зеленый курс, влияют на практику энергетического инжиниринга, продвигая сферу к более устойчивым и справедливым энергетическим решениям. Кроме того, инженеры-энергетики все чаще вовлекаются в сотрудничество государственного и частного секторов, работая с правительствами и корпорациями для разработки и реализации крупномасштабных проектов энергетической инфраструктуры, которые будут иметь как социальные, так и политические последствия. [19]