Возобновляемая энергия — это энергия из возобновляемых ресурсов , которые естественным образом пополняются в течение человеческого времени . Возобновляемые ресурсы включают солнечный свет , ветер , движение воды и геотермальное тепло . [2] [3] Хотя большинство возобновляемых источников энергии являются устойчивыми , некоторые из них таковыми не являются. Например, некоторые источники биомассы считаются неустойчивыми при нынешних темпах эксплуатации . [4] [5] Возобновляемая энергия часто используется для производства электроэнергии , отопления и охлаждения . Проекты возобновляемых источников энергии, как правило, являются крупномасштабными, но они также подходят для сельских и отдаленных районов и развивающихся стран , где энергия часто имеет решающее значение для человеческого развития . [6] [7]
Возобновляемая энергия часто используется вместе с дальнейшей электрификацией , которая имеет ряд преимуществ: электричество может эффективно перемещать тепло или предметы и является чистым в точке потребления. [8] [9] С 2011 по 2021 год доля возобновляемых источников энергии выросла с 20% до 28% мирового энергоснабжения. Использование ископаемой энергии сократилось с 68% до 62%, а ядерной — с 12% до 10%. Доля гидроэнергетики снизилась с 16% до 15%, а доля энергии солнца и ветра увеличилась с 2% до 10%. Биомасса и геотермальная энергия выросли с 2% до 3%. В 135 странах установлено 3146 гигаватт, а в 156 странах действуют законы, регулирующие сектор возобновляемых источников энергии. [10] [11] В 2021 году на долю Китая пришлось почти половина мирового прироста производства возобновляемой электроэнергии. [12]
Во всем мире существует более 10 миллионов рабочих мест, связанных с отраслями возобновляемой энергетики, причем солнечная фотоэлектрическая энергия является крупнейшим работодателем в области возобновляемых источников энергии. [13] Возобновляемые энергетические системы быстро становятся более эффективными и дешевыми, а их доля в общем энергопотреблении увеличивается, [14] при этом подавляющее большинство новых установленных в мире электроэнергетических мощностей являются возобновляемыми. [15] В большинстве стран фотоэлектрическая солнечная энергия или береговая ветровая энергия являются самой дешевой новой электроэнергией. [16]
Во многих странах мира уже используются возобновляемые источники энергии, на долю которых приходится более 20% общего объема энергоснабжения, при этом некоторые производят более половины своей электроэнергии из возобновляемых источников . [17] Некоторые страны производят всю свою электроэнергию, используя возобновляемые источники энергии. [18] По прогнозам, национальные рынки возобновляемой энергетики будут продолжать активно расти в 2020-х годах и в последующий период. [19] По данным МЭА, для достижения нулевых выбросов к 2050 году 90% мирового производства электроэнергии необходимо будет производить из возобновляемых источников. [20] Некоторые исследования показали, что глобальный переход на 100% возобновляемую энергию во всех секторах – энергетике, теплоснабжении, транспорте и промышленности – осуществим и экономически целесообразен. [21] [22] [23]
Возобновляемые источники энергии существуют на обширных географических территориях, в отличие от ископаемого топлива , которое сконцентрировано в ограниченном числе стран. Внедрение возобновляемых источников энергии и технологий энергоэффективности приводит к значительной энергетической безопасности , смягчению последствий изменения климата и экономическим выгодам. [24] Однако возобновляемым источникам энергии препятствуют сотни миллиардов долларов субсидий на ископаемое топливо . [25] В международных опросах общественного мнения наблюдается сильная поддержка возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия и энергия ветра. [26] [27] В 2022 году Международное энергетическое агентство попросило страны устранить политические, нормативные, разрешительные и финансовые препятствия на пути увеличения количества возобновляемых источников энергии, чтобы иметь больше шансов на достижение чистых нулевых выбросов углерода к 2050 году . [28]
Потоки возобновляемой энергии включают такие природные явления, как солнечный свет , ветер , приливы , рост растений и геотермальное тепло , как объясняет Международное энергетическое агентство : [30]
Возобновляемая энергия получается в результате природных процессов, которые постоянно пополняются. В своих различных формах он получается непосредственно от Солнца или от тепла, вырабатываемого глубоко под землей. В это определение включено электричество и тепло, вырабатываемые из солнечной энергии, ветра, океана, гидроэнергетики , биомассы, геотермальных ресурсов, а также биотоплива и водорода, полученных из возобновляемых ресурсов.
Возобновляемая энергия отличается от ископаемого топлива , которое используется гораздо быстрее, чем восполняется. Возобновляемые источники энергии и значительные возможности для повышения энергоэффективности существуют на обширных географических территориях, в отличие от других источников энергии, которые сосредоточены в ограниченном числе стран. Быстрое внедрение возобновляемых источников энергии и энергоэффективности, а также технологическая диверсификация источников энергии приведут к значительной энергетической безопасности и экономическим выгодам. [24] Солнечная и ветровая энергия стали намного дешевле. [32] В некоторых случаях будет дешевле перейти на эти источники, чем продолжать использовать нынешние неэффективные виды ископаемого топлива. Кроме того, электрификация с использованием возобновляемых источников энергии более эффективна и, следовательно, приводит к значительному сокращению потребностей в первичной энергии. [33] [ необходимы разъяснения ] Это также уменьшит загрязнение окружающей среды , такое как загрязнение воздуха , вызванное сжиганием ископаемого топлива, а также улучшит здоровье населения, снизит преждевременную смертность из-за загрязнения и сэкономит связанные с этим расходы на здравоохранение, которые могут составлять триллионы долларов в год. [34] [35] Многочисленные анализы стратегий декарбонизации показали, что количественная польза для здоровья может значительно компенсировать затраты на реализацию этих стратегий. [36] [37]
Проблемы изменения климата в сочетании с продолжающимся снижением стоимости некоторых видов оборудования, использующего возобновляемые источники энергии, такого как ветряные турбины и солнечные панели, способствуют более широкому использованию возобновляемых источников энергии. [26] Новые государственные расходы, регулирование и политика помогли отрасли пережить глобальный финансовый кризис лучше, чем многие другие отрасли. [38] Однако по состоянию на 2019 год [update], по данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии , общая доля возобновляемых источников энергии в энергетическом балансе (включая электроэнергию, тепло и транспорт) должна расти в шесть раз быстрее, чтобы сохранить рост средних глобальных температур». значительно ниже 2,0 °C (3,6 °F) в нынешнем столетии по сравнению с доиндустриальным уровнем. [39]
Домашние солнечные панели и батареи, если они есть, зачастую могут либо использоваться только для этого дома, либо, если они подключены к электрической сети, могут быть объединены с миллионами других. [40] Более 44 миллионов домохозяйств используют биогаз, полученный в бытовых варочных котлах, для освещения и/или приготовления пищи , а более 166 миллионов домохозяйств полагаются на новое поколение более эффективных кухонных плит на биомассе. [41] [ нужно обновить ]
Согласно исследованию, нация должна достичь определенной точки своего роста, прежде чем она сможет использовать больше возобновляемых источников энергии. По нашим словам, его добавление изменило то, как важнейшие факторы ввода (труд и капитал) связаны друг с другом, снизив их общую эластичность и увеличив кажущуюся экономию от масштаба. [42] Восьмой Генеральный секретарь Организации Объединенных Наций Пан Ги Мун заявил, что возобновляемые источники энергии способны поднять беднейшие страны на новый уровень процветания. [43] На национальном уровне по крайней мере 30 стран мира уже используют возобновляемые источники энергии, на долю которых приходится более 20% энергоснабжения. [44] Хотя многие страны имеют различные политические цели в отношении долгосрочных долей возобновляемой энергии, они, как правило, касаются только энергетического сектора, [45] включая цель 40% всей электроэнергии, вырабатываемой в Европейском Союзе к 2030 году. [46]
Возобновляемая энергия часто вытесняет традиционные виды топлива в четырех областях: производство электроэнергии , горячая вода / отопление помещений , транспорт и сельские (автономные) энергетические услуги. [47]
По состоянию на 2021 год более четверти электроэнергии будет производиться из возобновляемых источников энергии. [48] Одной из попыток декарбонизации транспорта является более широкое использование электромобилей (EV). [49] Несмотря на это и использование биотоплива , такого как биоджет , менее 4% транспортной энергии приходится на возобновляемые источники энергии. [50] Иногда водородные топливные элементы используются для тяжелого транспорта. [51] Между тем, в будущем электротопливо может также сыграть большую роль в декарбонизации таких трудно поддающихся сокращению выбросов секторов, как авиация и морское судоходство. [52]
Солнечное нагрев воды вносит важный вклад в производство возобновляемого тепла во многих странах, особенно в Китае, на долю которого в настоящее время приходится 70% общемирового объема (180 ГВттепл.). Большинство этих систем установлены в многоквартирных жилых домах [53] и удовлетворяют часть потребностей в горячей воде примерно 50–60 миллионов домохозяйств в Китае. Во всем мире установленные солнечные водонагревательные системы удовлетворяют часть потребностей в нагреве воды более чем 70 миллионов домохозяйств.
Тепловые насосы обеспечивают как отопление, так и охлаждение, а также сглаживают кривую спроса на электроэнергию и, таким образом, становятся все более приоритетными. [54] Возобновляемая тепловая энергия также быстро растет. [55] Около 10% энергии для отопления и охлаждения приходится на возобновляемые источники энергии. [48]
Солнечная энергия , лучистый свет и тепло солнца используются с использованием ряда постоянно развивающихся технологий, таких как солнечное отопление , фотоэлектрическая энергия , концентрированная солнечная энергия (CSP), фотоэлектрическая энергия с концентраторами (CPV), солнечная архитектура и искусственный фотосинтез . [61] [62] Большинство новых возобновляемых источников энергии — это солнечная энергия. [63] Солнечные технологии в целом характеризуются как пассивные или активные солнечные, в зависимости от способа захвата, преобразования и распределения солнечной энергии. Пассивные солнечные методы включают в себя ориентацию здания по солнцу, выбор материалов с благоприятной тепловой массой или светорассеивающими свойствами, а также проектирование пространств, в которых воздух циркулирует естественным образом . Активные солнечные технологии включают в себя солнечную тепловую энергию с использованием солнечных коллекторов для отопления и солнечную энергию, преобразующую солнечный свет в электричество либо напрямую с использованием фотоэлектрических элементов (PV), либо косвенно с использованием концентрированной солнечной энергии (CSP).
Фотоэлектрическая система преобразует свет в электрический постоянный ток (DC), используя фотоэлектрический эффект . [64] Солнечная фотоэлектрическая энергия превратилась в многомиллиардную, быстрорастущую отрасль, продолжает повышать свою экономическую эффективность и обладает наибольшим потенциалом среди всех возобновляемых технологий вместе с CSP. [65] [66] Системы концентрированной солнечной энергии (CSP) используют линзы или зеркала и системы слежения для фокусировки большой площади солнечного света в небольшой луч. Коммерческие концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. CSP-Stirling имеет, безусловно, самую высокую эффективность среди всех технологий солнечной энергетики.
В 2011 году Международное энергетическое агентство заявило, что «развитие доступных, неисчерпаемых и чистых технологий солнечной энергии будет иметь огромные долгосрочные выгоды. Это повысит энергетическую безопасность стран за счет опоры на местные, неисчерпаемые и в основном независимые от импорта ресурсы». Эти преимущества носят глобальный характер . Следовательно , дополнительные затраты на стимулы для раннего развертывания следует рассматривать как инвестиции в обучение; их следует расходовать разумно должны быть широко распространены». [61] На солнечную энергию приходится 505 ГВт ежегодно, что составляет около 2% мировой электроэнергии. Солнечную энергию можно использовать везде, где есть солнечный свет; однако количество солнечной энергии, которую можно использовать для производства электроэнергии, зависит от погодных условий , географического положения и времени суток. [67]
Согласно главе 6 доклада МГЭИК по смягчению последствий изменения климата в 2022 году, глобальный потенциал прямой солнечной энергии намного превышает потенциал любого другого возобновляемого источника энергии. Это намного превышает общее количество энергии, необходимое для поддержки мер по смягчению последствий изменения климата в текущем столетии. [49] Австралия имеет самую большую долю солнечной электроэнергии в мире, обеспечивая 9,9% спроса на электроэнергию в стране в 2020 году. [68] Более 30 процентов австралийских домохозяйств в настоящее время имеют солнечные фотоэлектрические системы на крышах, общая мощность которых превышает 11 ГВт. . [69]
Однако существуют экологические последствия расширения использования солнечной энергии. В частности, спрос на сырье, такое как алюминий, вызывает обеспокоенность по поводу углеродного следа, который возникнет в результате сбора сырья, необходимого для реализации солнечной энергии. [70]
Фотоэлектрическая энергия (PV) быстро растет: мировая мощность увеличится с 230 ГВт в конце 2015 года до 890 ГВт в 2021 году. [71]
В фотоэлектрических системах используются солнечные элементы , собранные в солнечные панели, для преобразования солнечного света в электричество. Фотоэлектрические системы варьируются от небольших жилых и коммерческих установок на крышах или интегрированных в зданиях установок до крупных фотоэлектрических электростанций общего назначения . Преобладающей фотоэлектрической технологией является кристаллический кремний , а на технологию тонкопленочных солнечных элементов приходится около 10 процентов глобального фотоэлектрического развертывания. В последние годы фотоэлектрические технологии повысили эффективность выработки электроэнергии , снизили стоимость установки на ватт , а также время окупаемости энергии и достигли паритета в сети . [74]
Интегрированные в здания фотоэлектрические системы или фотоэлектрические системы «на месте» используют существующую землю и сооружения и генерируют электроэнергию рядом с местом ее потребления. [75]
Фотоэлектрическая энергетика росла быстрее всего в Китае в период с 2016 по 2021 год, добавив 560 ГВт, что больше, чем во всех странах с развитой экономикой вместе взятых. Установленная мощность солнечных фотоэлектрических систем к 2027 году превзойдет мощность угля и станет крупнейшей в мире. [76] Для этого необходимо увеличить установленную фотоэлектрическую мощность до 4600 ГВт, из которых, как ожидается, более половины будет развернуто в Китае и Индии . [77] [78]
Коммерческие концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. Поскольку стоимость солнечной электроэнергии упала, количество подключенных к сети солнечных фотоэлектрических систем выросло до миллионов , и строятся солнечные электростанции мощностью в гигаватты . Построено множество солнечных фотоэлектрических электростанций, в основном в Европе, Китае и США. [79] Солнечная электростанция в пустыне Тенгер мощностью 1,5 ГВт в Китае является крупнейшей в мире фотоэлектрической электростанцией . Многие из этих электростанций интегрированы с сельским хозяйством, а некоторые используют системы слежения, которые отслеживают ежедневный путь Солнца по небу, чтобы генерировать больше электроэнергии, чем стационарные системы.
Солнечная тепловая энергия (STE) — это форма энергии и технология использования солнечной энергии для производства тепловой энергии для использования в промышленности , а также в жилом и коммерческом секторах.
Солнечные тепловые коллекторы классифицируются Управлением энергетической информации США как низко-, средне- и высокотемпературные коллекторы. Низкотемпературные коллекторы, как правило, не имеют глазури и используются для подогрева плавательных бассейнов или для подогрева вентиляционного воздуха. Коллекторы средней температуры также обычно представляют собой плоские пластины, но используются для нагрева воды или воздуха в жилых и коммерческих целях.
Высокотемпературные коллекторы концентрируют солнечный свет с помощью зеркал или линз и обычно используются для обеспечения потребностей в тепле до 300 градусов C / давления 20 бар в промышленности, а также для производства электроэнергии. Две категории включают концентрированную солнечную тепловую энергию (CST) для удовлетворения потребностей в тепле в промышленности и концентрированную солнечную энергию (CSP), когда собранное тепло используется для производства электроэнергии. CST и CSP не взаимозаменяемы с точки зрения применения.
Крупнейшие объекты расположены в американской пустыне Мохаве в Калифорнии и Неваде. Эти заводы используют множество различных технологий. Самыми крупными примерами являются солнечная электростанция Уарзазат в Марокко (510 МВт), солнечная электростанция Иванпа (377 МВт), установка систем производства солнечной энергии (354 МВт) и Crescent Dunes (110 МВт). Испания является еще одним крупным разработчиком солнечных тепловых электростанций. Самыми крупными примерами являются солнечная электростанция Solnova (150 МВт), солнечная электростанция Andasol (150 МВт) и солнечная электростанция Extresol (100 МВт).
Поток воздуха можно использовать для запуска ветряных турбин . Номинальная мощность современных промышленных ветряных турбин варьируется от 600 кВт до 9 МВт. Мощность, получаемая от ветра, является функцией куба скорости ветра, поэтому с увеличением скорости ветра выходная мощность увеличивается до максимальной мощности для конкретной турбины. [84] Районы, где ветры более сильные и постоянные, например морские и высокогорные участки , являются предпочтительными местами для ветряных электростанций.
В 2015 году электроэнергия, вырабатываемая ветром, покрыла почти 4% мирового спроса на электроэнергию, при этом было установлено почти 63 ГВт новых ветроэнергетических мощностей. Ветроэнергетика была ведущим источником новых мощностей в Европе, США и Канаде и вторым по величине в Китае. В Дании энергия ветра удовлетворяет более 40% спроса на электроэнергию, а Ирландия, Португалия и Испания удовлетворяют почти по 20%. [85]
Считается, что в глобальном масштабе долгосрочный технический потенциал ветровой энергии в пять раз превышает совокупное текущее мировое производство энергии или в 40 раз превышает текущий спрос на электроэнергию, при условии, что все необходимые практические барьеры будут преодолены. Это потребует установки ветряных турбин на больших территориях, особенно в районах с более высокими ветровыми ресурсами, таких как морские просторы, а также, вероятно, промышленного использования новых типов турбин VAWT в дополнение к используемым в настоящее время установкам с горизонтальной осью. Поскольку скорость ветра на море в среднем примерно на 90% выше, чем на суше, морские ресурсы могут давать значительно больше энергии, чем наземные турбины. [86]
Поскольку вода примерно в 800 раз плотнее воздуха , даже медленный поток воды или умеренное морское волнение могут дать значительное количество энергии. Вода может генерировать электроэнергию с эффективностью преобразования около 90%, что является самым высоким показателем в возобновляемой энергетике. [90] Существует множество форм водной энергии:
Гидроэнергетика производится в 150 странах, при этом Азиатско-Тихоокеанский регион производил 32 процента мировой гидроэнергетики в 2010 году. [ нужна обновленная информация ] Из 50 стран с наибольшим процентом производства электроэнергии из возобновляемых источников энергии 46 являются в основном гидроэлектростанциями. [94] В настоящее время в мире существует семь гидроэлектростанций мощностью более 10 ГВт ( 10 000 МВт ), см. таблицу ниже.
Большая часть гидроэнергетики является гибкой и дополняет ветровую и солнечную. [95] Волновая энергия , которая улавливает энергию поверхностных волн океана, и энергия приливов , преобразующая энергию приливов, представляют собой две формы гидроэнергетики с будущим потенциалом; однако они еще не получили широкого коммерческого применения. [96] Демонстрационный проект, реализуемый компанией Ocean Renewable Power Company на побережье штата Мэн и подключенный к сети, использует приливную энергию из залива Фанди , где находится самый высокий в мире приливный поток. Преобразование тепловой энергии океана , при котором используется разница температур между более холодными глубинными и более теплыми поверхностными водами, в настоящее время не имеет экономической целесообразности. [97] [98]
В 2021 году мировая мощность возобновляемых гидроэлектростанций составила 1360 ГВт. [76] Разработана только треть мирового гидроэнергетического потенциала, составляющего 14 000 ТВтч/год. [99] [100] Новые гидроэнергетические проекты сталкиваются с сопротивлением со стороны местных сообществ из-за их большого воздействия, включая переселение сообществ и затопление мест обитания диких животных и сельскохозяйственных угодий. [101] Таким образом, основными проблемами для новых разработок являются высокая стоимость и сроки получения разрешения, включая оценку окружающей среды и рисков, а также отсутствие экологического и социального признания. [102] Популярно переоснащение старых плотин, тем самым повышая их эффективность и пропускную способность, а также более быстрое реагирование на сеть. [103] Если обстоятельства позволяют, существующие плотины, такие как плотина Рассела , построенная в 1985 году, могут быть обновлены с помощью средств «обратной откачки» для гидроаккумулирования , что полезно при пиковых нагрузках или для поддержки прерывистой ветровой и солнечной энергии. Поскольку управляемая энергия более ценна, чем ПВИЭ, [104] [105] страны с крупными гидроэлектростанциями, такие как Канада и Норвегия, тратят миллиарды на расширение своих сетей для торговли с соседними странами, имеющими ограниченные гидроэлектростанции. [106]
Биомасса – это биологический материал , полученный из живых или недавно живых организмов. Обычно это относится к растениям или материалам растительного происхождения. В качестве источника энергии биомасса может использоваться либо непосредственно путем сжигания для производства тепла, либо косвенно после преобразования ее в различные формы биотоплива в твердой, жидкой или газообразной форме. Преобразование биомассы в биотопливо может быть достигнуто различными методами, которые в широком смысле подразделяются на термические , химические и биохимические методы. По состоянию на 2012 год древесина была крупнейшим источником энергии из биомассы; [110] Примеры включают в себя лесные остатки, такие как мертвые деревья, ветки и пни , скошенная трава, древесная щепа и даже твердые бытовые отходы . Промышленную биомассу можно выращивать из многочисленных видов растений, включая мискантус , просо , коноплю , кукурузу , тополь , иву , сорго , сахарный тростник, бамбук [ 111] и множество пород деревьев, от эвкалипта до масличной пальмы ( пальмовое масло ). .
Энергия растений производится культурами, специально выращенными для использования в качестве топлива, которые обеспечивают высокий выход биомассы с гектара при низких затратах энергии. [112] Зерно можно использовать в качестве жидкого топлива для транспорта, а солому можно сжигать для производства тепла или электроэнергии. Растительная биомасса также может быть разложена из целлюлозы в глюкозу посредством ряда химических обработок, а полученный сахар затем может быть использован в качестве биотоплива первого поколения.
Биомасса может быть преобразована в другие полезные формы энергии, такие как метан [ 113] или транспортное топливо, такое как этанол и биодизель . Гниющий мусор, а также сельскохозяйственные и человеческие отходы выделяют газ метан, также называемый свалочным газом или биогазом . Зерновые культуры, такие как кукуруза и сахарный тростник, можно ферментировать для производства транспортного топлива — этанола. Биодизель, еще одно транспортное топливо, можно производить из остатков пищевых продуктов, таких как растительные масла и животные жиры. [114] Существует множество исследований, посвященных топливу из водорослей или биомассе, полученной из водорослей, поскольку это непищевой ресурс, который растет примерно в 20 раз быстрее, чем другие виды пищевых культур, таких как кукуруза и соя, и можно выращивать практически где угодно. [115] [116] После сбора его можно ферментировать для производства биотоплива, такого как этанол, бутанол и метан, а также биодизеля и водорода . Биомасса, используемая для производства электроэнергии, варьируется в зависимости от региона. Побочные продукты леса, такие как древесные отходы, широко распространены в Соединенных Штатах. Сельскохозяйственные отходы распространены на Маврикии (остатки сахарного тростника) и Юго-Восточной Азии (рисовая шелуха).
Биомасса, биогаз и биотопливо сжигаются для производства тепла/электричества и при этом могут нанести вред окружающей среде . Загрязнители, такие как оксиды серы (SO x ), оксиды азота (NO x ) и твердые частицы (PM), образуются при сжигании биомассы. Что касается традиционного использования биомассы для отопления и приготовления пищи , то, по оценкам Всемирной организации здравоохранения, в 2012 году от загрязнения наружного воздуха преждевременно умерло 3,7 миллиона человек, в то время как загрязнение помещений в результате сжигания биомассы затронуло более 3 миллиардов человек во всем мире. [117] [118]
Глобальная мощность биоэнергетики в 2021 году составила 158 ГВт. Биотопливо позволило избежать 4,4% мирового спроса на транспортное топливо в 2021 году. [76]
Биотопливо включает широкий спектр видов топлива, получаемых из биомассы. Этот термин охватывает твердое , жидкое и газообразное топливо. [119] Жидкое биотопливо включает биоспирты, такие как биоэтанол, и масла, такие как биодизель. Газообразное биотопливо включает биогаз , свалочный газ и синтетический газ . Биоэтанол — это спирт, полученный путем ферментации сахаристых компонентов растительного сырья, и его производят в основном из сахара и крахмала. К ним относятся кукуруза, сахарный тростник и, в последнее время, сладкое сорго . Последняя культура особенно подходит для выращивания в засушливых условиях и исследуется Международным научно-исследовательским институтом сельскохозяйственных культур полузасушливых тропиков на предмет ее потенциала в качестве топлива, а также продуктов питания и кормов для животных в засушливых частях Азии и Африки. [120]
Благодаря развитию передовых технологий целлюлозная биомасса, такая как деревья и травы, также используется в качестве сырья для производства этанола. Этанол можно использовать в качестве топлива для транспортных средств в чистом виде, но обычно его используют в качестве присадки к бензину для повышения октанового числа и снижения выбросов транспортных средств. Биоэтанол широко используется в США и Бразилии . Энергозатраты на производство биоэтанола практически равны энергоотдаче биоэтанола. Однако, по данным Европейского агентства по окружающей среде , биотопливо не решает проблемы глобального потепления. [121] Биодизель производится из растительных масел , животных жиров или переработанных жиров. Его можно использовать в качестве топлива для транспортных средств в чистом виде или, чаще, в качестве присадки к дизельному топливу для снижения уровня твердых частиц, окиси углерода и углеводородов в транспортных средствах с дизельным двигателем. Биодизель производится из масел или жиров методом переэтерификации и является наиболее распространенным биотопливом в Европе. Биотопливо обеспечило 2,7% мирового транспортного топлива в 2010 году. [122] [ требует обновлений ]
Политика более чем в 80 странах поддерживает спрос на биотопливо. [76]
С 1970-х годов в Бразилии действует программа по производству этанола , которая позволила стране стать вторым по величине производителем этанола в мире (после США) и крупнейшим мировым экспортером. [123] Бразильская программа по производству этанола использует современное оборудование и дешевый сахарный тростник в качестве сырья, а остаточные отходы тростника ( выжимки ) используются для производства тепла и электроэнергии. [124] В Бразилии больше нет легковых автомобилей, работающих на чистом бензине. [125]
Ожидается, что Biojet будет иметь важное значение для краткосрочного сокращения выбросов углекислого газа при дальнемагистральных рейсах. [126]
Высокотемпературная геотермальная энергия получается из тепловой энергии, вырабатываемой и хранимой в Земле. Тепловая энергия – это энергия, определяющая температуру вещества. Геотермальная энергия Земли возникает в результате первоначального формирования планеты и радиоактивного распада минералов (в в настоящее время неопределенных [131] , но, возможно, примерно равных [132] пропорциях). Геотермический градиент , который представляет собой разницу температур между ядром планеты и ее поверхностью, обеспечивает непрерывную передачу тепловой энергии в виде тепла от ядра к поверхности. Прилагательное «геотермический» происходит от греческих корней «гео» , что означает «земля», и «термос» , что означает «тепло».
Тепло, которое используется для получения геотермальной энергии, может достигать глубины Земли, вплоть до ее ядра – на глубине 6400 километров (4000 миль). В ядре температура может достигать более 5000 ° C (9030 ° F). Тепло передается от ядра к окружающей породе. Чрезвычайно высокая температура и давление приводят к плавлению некоторых пород, которые широко известны как магма. Магма поднимается вверх, поскольку она легче твердой породы. Затем эта магма нагревает породу и воду в земной коре, иногда до 371 °C (700 °F). [133]
Низкотемпературная геотермальная энергия [54] относится к использованию внешней коры Земли в качестве тепловой батареи для использования возобновляемой тепловой энергии для отопления и охлаждения зданий, а также для других холодильных и промышленных целей. В этой форме геотермальной энергии геотермальный тепловой насос и заземленный теплообменник используются вместе для перемещения тепловой энергии в Землю (для охлаждения) и из Земли (для отопления) в зависимости от сезона. Низкотемпературная геотермальная энергия (обычно называемая «GHP» [ необходимы разъяснения ] ) становится все более важной возобновляемой технологией, поскольку она не только снижает общую годовую энергетическую нагрузку, связанную с отоплением и охлаждением, но и выравнивает кривую спроса на электроэнергию, устраняя экстремальные летние и холодные периоды. Пиковые требования к электроснабжению в зимний период. Таким образом, низкотемпературная геотермальная энергия/GHP становится все более растущим национальным [ необходимы разъяснения ] приоритетом с множественной поддержкой налоговых льгот [134] и фокусом в рамках продолжающегося движения к достижению чистой нулевой энергии. [135]
Геотермальная энергия экономически эффективна, надежна, устойчива и экологически безопасна, [136] , но исторически ее использование ограничивалось областями вблизи границ тектонических плит . Последние технологические достижения расширили диапазон и размер жизнеспособных ресурсов, особенно для таких применений, как отопление домов, открывая потенциал для их широкого использования. Геотермальные скважины выделяют парниковые газы, находящиеся глубоко под землей, но эти выбросы обычно намного ниже на единицу энергии, чем выбросы ископаемого топлива. В результате геотермальная энергия может помочь смягчить глобальное потепление , если ее широко использовать вместо ископаемого топлива.
В 2017 году Соединенные Штаты лидировали в мире по производству геотермальной электроэнергии с установленной мощностью 12,9 ГВт. [71] Самая большая группа геотермальных электростанций в мире расположена в Гейзерс , геотермальном месторождении в Калифорнии. [137] Филиппины следуют за США и занимают второе место в мире по производству геотермальной энергии с мощностью 1,9 ГВт. [71]
Глобальная геотермальная мощность в 2021 году составила 15 ГВт. [76]
Существуют также другие технологии возобновляемой энергетики, которые все еще находятся в стадии разработки, в том числе целлюлозный этанол , геотермальная энергия с использованием горячих сухих пород и морская энергия . [138] Эти технологии еще широко не продемонстрированы или имеют ограниченную коммерциализацию. Многие из них находятся на горизонте и могут иметь потенциал, сравнимый с другими технологиями возобновляемой энергетики, но все еще зависят от привлечения достаточного внимания и финансирования исследований, разработок и демонстраций (НИОКР). [138]
В академическом, федеральном, [ необходимы разъяснения ] и коммерческом секторах существует множество организаций, которые проводят крупномасштабные передовые исследования в области возобновляемых источников энергии. Это исследование охватывает несколько направлений в спектре возобновляемых источников энергии. Большая часть исследований направлена на повышение эффективности и увеличение общего выхода энергии. [139] В последние годы многие научно-исследовательские организации, поддерживаемые правительством, сосредоточили свое внимание на возобновляемых источниках энергии. Двумя наиболее известными из этих лабораторий являются Сандианские национальные лаборатории и Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL), обе из которых финансируются Министерством энергетики США и поддерживаются различными корпоративными партнерами. [140]
Усовершенствованные геотермальные системы (EGS) — это новый тип технологии геотермальной энергетики, не требующий естественных конвективных гидротермальных ресурсов. Подавляющее большинство геотермальной энергии в пределах досягаемости бурения находится в сухой и непористой породе. [141] Технологии EGS «улучшают» и/или создают геотермальные ресурсы в этой «горячей сухой породе (HDR)» посредством гидравлического разрыва пласта . Ожидается, что технологии EGS и HDR, такие как гидротермальная геотермальная энергия, будут ресурсами базовой нагрузки, которые производят электроэнергию 24 часа в сутки, как ископаемая электростанция. В отличие от гидротермальных технологий, HDR и EGS могут быть осуществимы в любой точке мира, в зависимости от экономических ограничений глубины бурения. Хорошие места находятся над глубоким гранитом , покрытым толстым (3–5 км или 1,9–3,1 мили) слоем изолирующих отложений, которые замедляют потерю тепла. [142] Системы HDR и EGS в настоящее время разрабатываются и тестируются во Франции, Австралии, Японии, Германии, США и Швейцарии. Крупнейшим проектом EGS в мире является демонстрационная установка мощностью 25 мегаватт, которая в настоящее время строится в бассейне Купер, Австралия. Бассейн Купера потенциально может вырабатывать 5 000–10 000 МВт.
Морская энергия (также иногда называемая энергией океана) — это энергия, переносимая океанскими волнами , приливами , соленостью и перепадами температур океана . Движение воды в Мировом океане создает огромный запас кинетической энергии , или энергии движения. Эту энергию можно использовать для выработки электроэнергии в домах, на транспорте и в промышленности. Термин «морская энергия» включает в себя энергию волн – мощность поверхностных волн, мощность морских течений – мощность морских гидрокинетических потоков (например, Гольфстрима) и энергию приливов – получаемую из кинетической энергии больших масс движущейся воды. Обратный электродиализ (RED) — это технология выработки электроэнергии путем смешивания пресной речной воды и соленой морской воды в больших энергетических элементах, предназначенных для этой цели; по состоянию на 2016 год он проходит испытания в небольших масштабах (50 кВт). Морская ветроэнергетика не является формой морской энергии, поскольку энергия ветра получается из ветра , даже если ветряные турбины расположены над водой. Океаны обладают огромным количеством энергии и находятся рядом со многими, если не с наиболее концентрированными, популяциями . Энергия океана потенциально может обеспечить значительное количество новой возобновляемой энергии по всему миру. [143] [144] [ нужна страница ]
Пассивное дневное радиационное охлаждение (PDRC) использует холод космического пространства в качестве возобновляемого источника энергии для достижения дневного охлаждения, которое можно использовать во многих приложениях, [148] [149] [150] , таких как охлаждение внутренних помещений , [151] [152] ] открытый городской остров тепла , [153] [154] и эффективность солнечных батарей . [155] [156] Поверхности PDRC спроектированы так, чтобы иметь высокий коэффициент отражения солнечной энергии для минимизации притока тепла и сильный теплообмен с помощью длинноволнового инфракрасного (LWIR) теплового излучения . [157] В планетарном масштабе это было предложено как способ замедлить и обратить вспять глобальное потепление . [147] [158] Приложения PDRC развертываются в виде поверхностей, обращенных к небу, подобно другим возобновляемым источникам энергии, таким как фотоэлектрические системы и солнечные тепловые коллекторы . [156] PDRC стала возможной благодаря возможности подавлять солнечное нагревание с помощью фотонных метаматериалов , впервые опубликованной в исследовании Raman et al. научному сообществу в 2014 году. [155] [159] Применение PDRC для охлаждения помещений растет, и, по оценкам, «размер рынка составит ~ 27 миллиардов долларов в 2025 году». [160]
Искусственный фотосинтез использует методы, в том числе нанотехнологии, для хранения солнечной электромагнитной энергии в химических связях путем расщепления воды для производства водорода, а затем использования углекислого газа для производства метанола. [161] Исследователи в этой области стремились создать молекулярные имитаторы фотосинтеза, которые используют более широкую область солнечного спектра, используют каталитические системы, изготовленные из распространенных, недорогих материалов, которые являются прочными, легко восстанавливаемыми, нетоксичными, стабильными в различных условиях окружающей среды. условиях и работать более эффективно, позволяя большей части энергии фотонов попадать в запасные соединения, то есть в углеводы (а не в построение и поддержание живых клеток). [162] Тем не менее, известные исследования сталкиваются с препятствиями: Sun Catalytix, дочернее предприятие Массачусетского технологического института, прекратила масштабирование своего прототипа топливного элемента в 2012 году, поскольку он предлагает мало экономии по сравнению с другими способами получения водорода из солнечного света. [163]
Земля излучает примерно 10 17 Вт инфракрасного теплового излучения, которое направляется в холодное космическое пространство. Солнечная энергия попадает на поверхность и атмосферу Земли и производит тепло. Используя различные теоретические устройства, такие как сборщик эмиссионной энергии (EEH) или терморадиационный диод, этот поток энергии можно преобразовать в электричество. Теоретически эту технологию можно использовать в ночное время. [164] [165]
Производство жидкого топлива из богатых нефтью (жиром) разновидностей водорослей является постоянной темой исследований. Испытываются различные микроводоросли, выращиваемые в открытых или закрытых системах, включая некоторые системы, которые можно использовать на заброшенных и пустынных землях. [166]
Сбор зарядов статического электричества с капель воды на металлических поверхностях — это экспериментальная технология, которая будет особенно полезна в странах с низким уровнем дохода и относительной влажностью воздуха более 60%. [167]
Реакторы-размножители , в принципе, могли бы извлекать почти всю энергию, содержащуюся в уране или тории , снижая потребность в топливе в 100 раз по сравнению с широко используемыми прямоточными легководными реакторами , которые извлекают менее 1% энергии из актинидов. металл (уран или торий), добытый из земли. [168] Высокая топливная эффективность реакторов-размножителей может значительно снизить обеспокоенность по поводу поставок топлива, энергии, используемой в горнодобывающей промышленности, и хранения радиоактивных отходов . Благодаря добыче урана из морской воды (в настоящее время слишком дорогой, чтобы быть экономичной) топлива для реакторов-размножителей достаточно, чтобы удовлетворить мировые потребности в энергии в течение 5 миллиардов лет при общем уровне энергопотребления 1983 года, что делает ядерную энергию фактически возобновляемой энергией. [169] [170] Помимо морской воды, средние гранитные породы земной коры содержат значительные количества урана и тория, которые с помощью реакторов-размножителей могут обеспечить обильную энергию на оставшуюся продолжительность жизни Солнца в основной последовательности звездной эволюции. [171]
Производство возобновляемой энергии из некоторых источников, таких как ветер и солнечная энергия, более изменчиво и более географически распространено, чем технологии, основанные на ископаемом топливе и ядерной энергии. Хотя интеграция его в более широкую энергетическую систему осуществима, она приводит к некоторым дополнительным проблемам, таким как повышение нестабильности производства и снижение инерции системы. [172] Внедрение систем хранения энергии с использованием широкого спектра технологий использования возобновляемых источников энергии и внедрение интеллектуальной сети , в которой энергия автоматически используется в момент ее производства, может снизить риски и затраты на внедрение возобновляемых источников энергии. [172] [173] : 15–16
Объединение сектора производства электроэнергии с другими секторами может повысить гибкость: например, транспортный сектор можно объединить путем зарядки электромобилей и передачи электроэнергии от транспортного средства в сеть . [174] Аналогичным образом, промышленный сектор может быть связан с водородом, производимым электролизом, [175] и строительным сектором с накоплением тепловой энергии для отопления и охлаждения помещений. [176]
Хранение электрической энергии — это совокупность методов, используемых для хранения электрической энергии. Электрическая энергия сохраняется в периоды, когда производство (особенно из непостоянных источников, таких как энергия ветра , приливная энергия , солнечная энергия ) превышает потребление, и возвращается в сеть , когда производство падает ниже потребления. На долю гидроаккумулирующих гидроэлектростанций приходится более 85% всей электроэнергии, накопленной в сети . [177] Аккумуляторы все чаще используются для хранения [178] и вспомогательных услуг сети [179] и для домашнего хранения. [180] Зеленый водород является более экономичным средством долгосрочного хранения возобновляемой энергии с точки зрения капитальных затрат по сравнению с насосными гидроэлектростанциями или батареями. [181] [182]
Большинство новых возобновляемых источников энергии — это солнечная энергия, за ней следует ветер, затем гидроэнергия, а затем биоэнергетика. [183] Инвестиции в возобновляемые источники энергии, особенно в солнечную энергию, как правило, более эффективны в создании рабочих мест, чем инвестиции в уголь, газ или нефть. [184] [185] По состоянию на 2020 год во всем мире в возобновляемых источниках энергии занято около 12 миллионов человек, при этом солнечная фотоэлектрическая технология является технологией, в которой занято больше всего - почти 4 миллиона человек. [186]
Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) заявило, что около 86% (187 ГВт) возобновляемых мощностей, добавленных в 2022 году, имели более низкие затраты, чем электроэнергия, вырабатываемая из ископаемого топлива. [187] IRENA также заявила, что добавленная с 2000 года мощность сократит счета за электроэнергию в 2022 году как минимум на 520 миллиардов долларов, а в странах, не входящих в ОЭСР, экономия за весь срок эксплуатации от увеличения мощности в 2022 году снизит затраты до 580 миллиардов долларов. [187]
* = 2018 г. Все остальные значения за 2019 г.
Результаты недавнего обзора литературы пришли к выводу, что, поскольку производители парниковых газов (ПГ) начинают нести ответственность за ущерб, причиненный выбросами ПГ, приводящими к изменению климата, высокая стоимость смягчения ответственности обеспечит мощные стимулы для внедрения технологий возобновляемой энергетики. . [202]
За десятилетие 2010–2019 годов мировые инвестиции в мощности возобновляемых источников энергии, за исключением крупных гидроэлектростанций, составили 2,7 триллиона долларов США, из которых вклад крупнейших стран - Китая - 818 миллиардов долларов США, США - 392,3 миллиарда долларов США, Японии - 210,9 миллиардов долларов США, вклада Германии 183,4 миллиарда долларов США, а Великобритания внесла 126,5 миллиарда долларов США. [203] Это увеличение более чем в три, а возможно, и в четыре раза превышает эквивалентную сумму, инвестированную за десятилетие 2000–2009 годов (данные за 2000–2003 годы отсутствуют). [203]
По оценкам, по состоянию на 2022 год 28% электроэнергии в мире будет производиться за счет возобновляемых источников энергии. Это больше, чем 19% в 1990 году. [204]
В отчете МЭА за декабрь 2022 года прогнозируется, что в 2022-2027 годах объем возобновляемых источников энергии, согласно его основному прогнозу, вырастет почти на 2 400 ГВт, что соответствует всей установленной мощности Китая в 2021 году. Это на 85% ускорение по сравнению с предыдущими пятью. лет, что почти на 30% выше, чем прогнозировало МЭА в своем отчете за 2021 год, что стало крупнейшим за всю историю пересмотром в сторону повышения. Ожидается, что в течение прогнозируемого периода на долю возобновляемых источников энергии придется более 90% глобального роста электроэнергетических мощностей. [76] МЭА считает, что для достижения нулевых выбросов к 2050 году 90% мирового производства электроэнергии необходимо будет производить из возобновляемых источников. [20]
В июне 2022 года исполнительный директор МЭА Фатих Бироль заявил, что странам следует больше инвестировать в возобновляемые источники энергии, чтобы «облегчить давление на потребителей из-за высоких цен на ископаемое топливо, сделать наши энергетические системы более безопасными и направить мир на путь достижения наших климатических целей». [206]
Пятилетний план Китая до 2025 года включает увеличение прямого отопления за счет возобновляемых источников энергии, таких как геотермальная и солнечная энергия. [207]
REPowerEU , план ЕС по избавлению от зависимости от ископаемого российского газа , как ожидается, потребует гораздо большего количества экологически чистого водорода . [208]
Ожидается , что после переходного периода производство возобновляемой энергии будет составлять большую часть мирового производства энергии. В 2018 году компания по управлению рисками DNV GL прогнозирует, что к 2050 году мировой баланс первичной энергии будет поровну разделен между ископаемыми и неископаемыми источниками. [210]
В июле 2014 года WWF и Институт мировых ресурсов созвали дискуссию между рядом крупных компаний США, которые заявили о своем намерении увеличить использование возобновляемых источников энергии. В ходе этих обсуждений был выявлен ряд «принципов», которые компании, стремящиеся к более широкому доступу к возобновляемым источникам энергии, считают важными рыночными результатами. Эти принципы включали выбор (между поставщиками и между продуктами), конкурентоспособность затрат, долгосрочные поставки по фиксированной цене, доступ к сторонним механизмам финансирования и сотрудничество. [211]
В статистике Великобритании, опубликованной в сентябре 2020 года, отмечается, что «доля спроса, удовлетворяемого за счет возобновляемых источников энергии, варьируется от низкого уровня в 3,4 процента (для транспорта, в основном за счет биотоплива) до максимума, превышающего 20 процентов для «других конечных пользователей», что в значительной степени является сектор услуг и коммерция, потребляющие сравнительно большое количество электроэнергии, а также промышленность». [212]
В некоторых местах отдельные домохозяйства могут выбрать приобретение возобновляемой энергии в рамках программы потребительской зеленой энергии .
Возобновляемая энергия в развивающихся странах становится все более используемой альтернативой энергии ископаемого топлива , поскольку эти страны наращивают свои поставки энергии и решают проблему энергетической бедности . Технологии возобновляемой энергетики когда-то считались недоступными для развивающихся стран. [213] Однако с 2015 года инвестиции в возобновляемые источники энергии, не связанные с гидроэнергетикой, были выше в развивающихся странах , чем в развитых странах, и составили 54% мировых инвестиций в возобновляемые источники энергии в 2019 году. [214] Международное энергетическое агентство прогнозирует, что возобновляемые источники энергии будут обеспечить большую часть роста поставок энергоносителей до 2030 года в Африке, Центральной и Южной Америке, а также 42% роста поставок в Китае. [215]
Большинство развивающихся стран обладают обильными ресурсами возобновляемой энергии, включая солнечную энергию , энергию ветра , геотермальную энергию и биомассу , а также способностью производить относительно трудоемкие системы, которые их используют. Развивая такие источники энергии, развивающиеся страны могут снизить свою зависимость от нефти и природного газа, создавая энергетические портфели, менее уязвимые к росту цен. Во многих случаях эти инвестиции могут быть менее дорогостоящими, чем энергетические системы, работающие на ископаемом топливе. [216]В Кении геотермальная электростанция Олкария V — одна из крупнейших в мире. [217] Проект Великой Эфиопской плотины эпохи Возрождения включает в себя ветряные турбины. [218] Предполагается , что после завершения строительства солнечная электростанция в Уарзазате в Марокко будет обеспечивать электроэнергией более миллиона человек. [219]
Политика поддержки возобновляемых источников энергии сыграла жизненно важную роль в их расширении. Если в начале 2000-х годов Европа доминировала в разработке энергетической политики , то сейчас большинство стран мира имеют ту или иную форму энергетической политики. [221]
Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) является межправительственной организацией , занимающейся продвижением внедрения возобновляемых источников энергии во всем мире. Целью проекта является предоставление конкретных политических рекомендаций и содействие наращиванию потенциала и передаче технологий. IRENA была создана в 2009 году, когда 75 стран подписали устав IRENA. [222] По состоянию на апрель 2019 г. в состав IRENA входят 160 государств-членов. [223] Тогдашний генеральный секретарь ООН Пан Ги Мун заявил, что возобновляемые источники энергии могут поднять беднейшие страны на новый уровень процветания, [43] и в сентябре 2011 года он запустил инициативу ООН « Устойчивая энергетика для всех» , направленную на улучшение доступа к энергии. , эффективность и внедрение возобновляемых источников энергии. [224]
Парижское соглашение 2015 года об изменении климата побудило многие страны разработать или усовершенствовать политику использования возобновляемых источников энергии. [19] В 2017 году в общей сложности 121 страна приняла ту или иную форму политики в области возобновляемых источников энергии. [221] Национальные цели в этом году существовали в 176 странах. [19] Кроме того, существует широкий спектр политик на уровне штата/провинции и на местном уровне. [122] Некоторые коммунальные предприятия помогают планировать или устанавливать системы энергоснабжения в жилых домах .
Многие национальные правительства, правительства штатов и местные органы власти создали зеленые банки . Зеленый банк — это квазигосударственное финансовое учреждение, которое использует государственный капитал для привлечения частных инвестиций в экологически чистые энергетические технологии. [225] Зеленые банки используют различные финансовые инструменты для преодоления рыночных разрывов, которые препятствуют внедрению чистой энергии.
Климатическая нейтральность к 2050 году является главной целью Европейского «Зеленого курса» . [226] Одной из целей Европейского Союза по достижению климатической нейтральности является декарбонизация своей энергетической системы путем достижения «чистых нулевых выбросов парниковых газов к 2050 году». [227]
100% возобновляемая энергия – это цель использования возобновляемых ресурсов для всей энергии. 100% возобновляемая энергия для производства электроэнергии, отопления, охлаждения и транспорта мотивирована изменением климата , загрязнением окружающей среды и другими экологическими проблемами, а также проблемами экономической и энергетической безопасности . Перевод общего глобального предложения первичной энергии на возобновляемые источники требует перехода энергетической системы , поскольку большая часть сегодняшней энергии производится из невозобновляемых ископаемых видов топлива .
Исследования по этой теме являются довольно новыми: до 2009 года было опубликовано очень мало исследований, но в последние годы они привлекают все большее внимание. Большинство исследований показывают, что глобальный переход на 100% возобновляемую энергию во всех секторах – энергетике, теплоснабжении, транспорте и промышленности – осуществим и экономически целесообразен. [228] [229] [230] [231] [ для проверки требуется цитата ] Межотраслевой целостный подход рассматривается как важная особенность систем, 100% возобновляемых источников энергии, и основан на предположении, что «лучшие решения могут быть найдены». можно обнаружить только в том случае, если сосредоточиться на синергии между секторами энергетической системы, такими как электроэнергетика, теплоснабжение, транспорт или промышленность. [232]
Считается, что основные препятствия на пути широкого внедрения крупномасштабных стратегий возобновляемой энергетики и низкоуглеродной энергетики носят в первую очередь социальный и политический характер, а не технологический или экономический. [233] Согласно отчету Post Carbon Pathways за 2013 год , в котором проанализированы многие международные исследования, ключевыми препятствиями являются: отрицание изменения климата , лоббирование ископаемого топлива , политическое бездействие, неустойчивое потребление энергии , устаревшая энергетическая инфраструктура и финансовые ограничения. [234]Производство возобновляемой электроэнергии с помощью ветра и солнца варьируется . Это приводит к снижению коэффициента мощности и может потребовать сохранения некоторых газовых электростанций или других управляемых генерирующих мощностей в режиме ожидания [237] [238] [239] до тех пор, пока не будет достаточно накопленной энергии, реагирования на спрос , улучшения сети и / или мощности базовой нагрузки. из бесперебойных источников, таких как гидроэнергетика , атомная энергетика или биоэнергетика.
Рынок технологий возобновляемой энергетики продолжает расти. Проблемы изменения климата и увеличение количества зеленых рабочих мест в сочетании с высокими ценами на нефть, пиком добычи нефти , нефтяными войнами, разливами нефти , продвижением электромобилей и возобновляемой электроэнергии, ядерными катастрофами и увеличением государственной поддержки стимулируют усиление законодательства в области возобновляемых источников энергии, стимулов и коммерциализации . [26] [ нужен лучший источник ]
Международное энергетическое агентство заявило, что внедрение возобновляемых технологий обычно увеличивает разнообразие источников электроэнергии и, за счет местного производства, способствует гибкости системы и ее устойчивости к центральным потрясениям. [240]
Солнечные электростанции могут конкурировать с пахотными землями , [242] [243] , в то время как береговые ветряные электростанции сталкиваются с сопротивлением из-за эстетических проблем и шума, который влияет как на людей, так и на дикую природу. [244] [245] [246] [ для проверки необходима цитата ] В США реализация проекта Cape Wind в Массачусетсе была отложена на несколько лет отчасти из-за эстетических соображений. Однако жители других районов настроены более позитивно. По словам члена городского совета, подавляющее большинство местных жителей считают, что ветряная электростанция Ардроссан в Шотландии улучшила этот район. [247] Эти опасения, когда они направлены против возобновляемых источников энергии, иногда описываются как позиция «не на моем заднем дворе» ( NIMBY ).
В документе правительства Великобритании от 2011 года говорится, что «проекты, как правило, имеют больше шансов на успех, если они имеют широкую общественную поддержку и согласие местных сообществ. Это означает предоставление сообществам как права голоса, так и заинтересованности». [248] В таких странах, как Германия и Дания, многие проекты по возобновляемым источникам энергии принадлежат сообществам, особенно через кооперативные структуры, и вносят значительный вклад в общий уровень использования возобновляемых источников энергии. [249] [250]
Следует ли считать ядерную энергетику формой возобновляемой энергии, является постоянным предметом дискуссий. Законодательные определения возобновляемой энергии обычно исключают многие существующие технологии ядерной энергетики, за заметным исключением штата Юта . [251] Определения технологий возобновляемой энергии , взятые из словарей , часто опускают или явно исключают упоминание источников ядерной энергии, за исключением естественного тепла ядерного распада, вырабатываемого на Земле . [252] [253]
По данным Управления энергетической информации, самое распространенное топливо, используемое на обычных атомных электростанциях , уран-235 является «невозобновляемым» , однако организация ничего не говорит о переработанном МОКС-топливе . [253] Точно так же Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии не упоминает ядерную энергетику в своем определении «основ энергетики». [254]
В 1987 году Комиссия Брундтланд (WCED) отнесла реакторы деления, которые производят больше делящегося ядерного топлива , чем потребляют ( реакторы-размножители , а в случае разработки и термоядерную энергию ), среди традиционных возобновляемых источников энергии , таких как солнечная энергия и гидроэнергетика . [255] Американский институт нефти не считает обычное ядерное деление возобновляемым, но считает ядерное топливо реактора-размножителя возобновляемым и устойчивым, и хотя обычное деление приводит к потокам отходов, которые остаются проблемой на протяжении тысячелетий, отходы от эффективно переработанного отработанного топлива требуют более ограниченный срок хранения наблюдения около тысячи лет. [256] [257] [258] Мониторинг и хранение радиоактивных отходов также необходимы при использовании других возобновляемых источников энергии, таких как геотермальная энергия. [259]
Примерно с 2010 года стали обсуждаться геополитические последствия растущего использования возобновляемых источников энергии. [260] Некоторые утверждают, что бывшие экспортеры ископаемого топлива испытают ослабление своих позиций в международных делах, в то время как страны с обильными ресурсами возобновляемой энергии будут укрепляться. [261] Также ожидается, что значение некоторых стран, богатых критически важными материалами для технологий возобновляемой энергетики, в международных делах возрастет. [262] [263]
Индекс геополитических выигрышей и потерь GeGaLo оценивает, как может измениться геополитическое положение 156 стран, если мир полностью перейдет на возобновляемые источники энергии. Ожидается, что бывшие экспортеры ископаемого топлива потеряют власть, в то время как позиции бывших импортеров ископаемого топлива и стран, богатых возобновляемыми энергоресурсами, как ожидается, укрепятся. [264] Поиск необходимых материалов, владение ключевыми инфраструктурными активами и проектирование сетей — все это требует рассмотрения с точки зрения геополитики. [265] [266] [267]
Переход к возобновляемым источникам энергии имеет множество геополитических последствий, таких как потенциальные потери доходов, ведущие к политической нестабильности в недостаточно подготовленных экономиках, экспортирующих ископаемое топливо, хотя неясно, приведет ли переход к увеличению или уменьшению конфликтов в целом. В частности, исследование выдвигает гипотезу о том, что «возникает конфигурация, в которой импортерам ископаемого топлива лучше проводить декарбонизацию, конкурентоспособным экспортерам ископаемого топлива лучше наводнять рынки, а неконкурентоспособные производители ископаемого топлива вместо того, чтобы получать выгоду от «безбилетника», страдают от их воздействия». к брошенным активам и отсутствию инвестиций в технологии декарбонизации». [268] [269]
Исследование показало, что переход от ископаемого топлива к системам возобновляемой энергии снижает риски, связанные с добычей полезных ископаемых, торговлей и политической зависимостью, поскольку системы возобновляемой энергии не нуждаются в топливе – они зависят от торговли только для приобретения материалов и компонентов во время строительства. [270]
Страны, богатые солнечной и ветровой энергией, могут стать крупными экспортерами энергии. [271]
Торговля водородом может фундаментально перекроить географию глобальной торговли энергоносителями, а международное управление и инвестиции, направленные на расширение водородной экономики , могут снизить «риск фрагментации рынка, блокировки выбросов углерода и усиления геоэкономического соперничества». [272] [271] [273] К 2050 году электроэнергия обгонит другие энергоносители, на ее долю будет приходиться почти 50% общего потребления энергии (по сравнению с 22% в 2015 году). Учитывая ограничения использования исключительно электроэнергии, чистый водород имеет значительный потенциал в ряде отраслей. [274] [275] Водород имеет потенциал для долгосрочного хранения в электроэнергетической и отопительной промышленности. [276]
В 2019 году нефтегазовые компании вошли в список Forbes с объемом продаж в 4,8 триллиона долларов США, что составляет около 5% мирового ВВП . [277] Чистые импортеры, такие как Китай и ЕС, получат преимущества от перехода к низкоуглеродным технологиям, обусловленным технологическим развитием, энергоэффективностью или политикой в области изменения климата, в то время как Россия, США или Канада могут увидеть, что их отрасли ископаемого топлива могут быть практически закрыты. . [278] С другой стороны, страны с большими территориями, такие как Австралия, Россия, Китай, США, Канада и Бразилия, а также Африка и Ближний Восток, имеют потенциал для создания огромных установок возобновляемой энергии. Производство технологий возобновляемой энергетики требует редкоземельных элементов с новыми цепочками поставок. [279]
В октябре 2021 года европейский комиссар по борьбе с изменением климата Франс Тиммерманс предположил, что «лучший ответ» на глобальный энергетический кризис 2021 года — «уменьшить нашу зависимость от ископаемого топлива». [280] Он сказал, что те, кто обвиняет европейский «Зеленый курс», делают это «возможно, по идеологическим причинам, а иногда и по экономическим причинам, направленным на защиту своих корыстных интересов». [280] Некоторые критики обвинили Систему торговли выбросами Европейского Союза (EU ETS) и закрытие атомных электростанций в содействии энергетическому кризису. [281] [282] [283] Президент Европейской комиссии Урсула фон дер Ляйен заявила, что Европа «слишком зависит» от природного газа и слишком зависит от импорта природного газа . По словам Фон дер Ляйен, «ответ должен быть связан с диверсификацией наших поставщиков... и, что особенно важно, с ускорением перехода к экологически чистой энергии». [284]
Переход к возобновляемым источникам энергии требует увеличения добычи некоторых металлов и минералов . [285] Это оказывает воздействие на окружающую среду и может привести к экологическому конфликту . [286]
Международное энергетическое агентство не признает нехватки ресурсов, но заявляет, что их предложение может с трудом соответствовать мировым климатическим амбициям. Ожидается, что наибольший спрос будут вызывать электромобили (EV) и аккумуляторные батареи. Ветровые электростанции и солнечные панели потребляют меньше энергии. Расширение электрических сетей требует больших объемов меди и алюминия . МЭА рекомендует увеличить масштабы переработки. К 2040 году количество меди , лития , кобальта и никеля из отработанных батарей может снизить совокупную потребность в первичных источниках этих минералов примерно на 10%. [285]
Ожидается, что спрос на литий к 2040 году вырастет в 42 раза. Прогнозируется, что разведка графита и никеля вырастет примерно в 20 раз. По каждому из наиболее важных минералов и металлов значительная доля ресурсов сосредоточена только в одной стране: медь в Чили , никель в Индонезии , редкоземельные элементы в Китае , кобальт в Демократической Республике Конго (ДРК) и литий в Австралия . Китай доминирует в их переработке. [285]
Спорным подходом является глубоководная добыча полезных ископаемых . Минералы можно собирать из новых источников, таких как полиметаллические конкреции , лежащие на морском дне , [287] но это может нанести ущерб биоразнообразию. [288]
Переход на современные возобновляемые источники энергии имеет очень большую пользу для здоровья благодаря снижению загрязнения воздуха от ископаемого топлива. [289] [290]
Возобновляемые источники, помимо биомассы, такие как энергия ветра , фотоэлектрическая энергия и гидроэлектроэнергия , имеют то преимущество, что позволяют экономить воду, снижать загрязнение [291] и сокращать выбросы CO 2 .
Солнечные панели изменяют альбедо поверхности, поэтому, если их использовать в очень больших масштабах (например, покрыть 20% пустыни Сахара), они могут изменить глобальные погодные условия. [292]
Установки, используемые для производства ветровой, солнечной и гидроэнергии, представляют собой растущую угрозу ключевым заповедным зонам, при этом объекты строятся в зонах, отведенных для охраны природы, и в других экологически чувствительных зонах. Они часто намного больше, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, и для производства эквивалентного количества энергии им нужны площади земли в 10 раз больше, чем угля или газа. [293] Более 2000 объектов возобновляемой энергетики построены и еще больше строятся в районах, имеющих экологическое значение и угрожающих среде обитания видов растений и животных по всему миру. Команда авторов подчеркнула, что их работу не следует интерпретировать как направленную против возобновляемых источников энергии, поскольку возобновляемые источники энергии имеют решающее значение для сокращения выбросов углекислого газа. Ключевым моментом является обеспечение того, чтобы объекты возобновляемой энергетики строились в местах, где они не наносят ущерба биоразнообразию. [294]
Переход к возобновляемым источникам энергии зависит от невозобновляемых ресурсов, таких как добытые металлы. [242] Производство фотоэлектрических панелей, ветряных турбин и батарей требует значительного количества редкоземельных элементов [295] , которые оказывают значительное социальное и экологическое воздействие, если их добывать в лесах и охраняемых территориях. [296] Из-за совместного присутствия редкоземельных и радиоактивных элементов ( тория , урана и радия ) добыча редкоземельных элементов приводит к образованию низкоактивных отходов . [297]
В 2020 году ученые опубликовали карту мира территорий, содержащих возобновляемые источники энергии, а также оценки их совпадения с «ключевыми территориями биоразнообразия», «остающейся дикой природой» и « охраняемыми территориями ». Авторы считают, что необходимо тщательное стратегическое планирование . [298] [299] [300] Солнечные панели перерабатываются , чтобы уменьшить количество электронных отходов и создать источник материалов, которые в противном случае пришлось бы добывать, [301] но такой бизнес все еще мал, и работа по улучшению и расширению продолжается. процесс. [302] [303] [304]
До развития угля в середине 19 века почти вся используемая энергия была возобновляемой. Самое старое известное использование возобновляемой энергии в виде традиционной биомассы для разжигания пожаров датируется более миллиона лет назад. Использование биомассы для сжигания огня стало обычным явлением лишь спустя много сотен тысяч лет. [305] Вероятно, вторым старейшим способом использования возобновляемых источников энергии является использование ветра для управления судами по воде. Эту практику можно проследить примерно 7000 лет назад, на кораблях в Персидском заливе и на Ниле. [306] Геотермальная энергия горячих источников использовалась для купания со времен палеолита и для обогрева помещений со времен Древнего Рима. [307] Перемещаясь во времена письменной истории, основными источниками традиционной возобновляемой энергии были человеческий труд , энергия животных , энергия воды , ветер, ветряные мельницы для дробления зерна и дрова , традиционная биомасса.
В 1885 году Вернер Сименс , комментируя открытие фотоэлектрического эффекта в твёрдом состоянии, писал:
В заключение я бы сказал, что, как бы велика ни была научная значимость этого открытия, его практическая ценность будет не менее очевидна, если мы задумаемся о том, что поставки солнечной энергии одновременно безграничны и бесплатны и что она будет продолжать изливаться. обрушивались на нас на протяжении бесчисленных веков после того, как все запасы угля на земле были исчерпаны и забыты. [308]
Макс Вебер упомянул конец ископаемого топлива в заключительных параграфах своей книги « Протестантская этика и дух капитализма », опубликованной в 1905 году. [309] Разработка солнечных двигателей продолжалась до начала мировой войны. Первая война. Важность солнечной энергии была признана в статье Scientific American 1911 года : «В далеком будущем исчерпанное природное топливо [солнечная энергия] останется единственным средством существования человечества». [310]
Теория пика добычи нефти была опубликована в 1956 году. [311] В 1970-х годах экологи продвигали развитие возобновляемых источников энергии как в качестве замены возможного истощения запасов нефти , так и для избавления от зависимости от нефти, а также для первого электричества. появились генерирующие ветряные турбины . Солнечная энергия уже давно использовалась для отопления и охлаждения, но до 1980 года солнечные панели были слишком дорогими для строительства солнечных ферм. [312]
Новые государственные расходы, регулирование и политика помогли отрасли пережить экономический кризис 2009 года лучше, чем многие другие отрасли. [38]
Наш ускоренный пример показывает, что глобальные мощности возобновляемых источников энергии могут увеличиться еще на 25% по сравнению с основным прогнозом, если страны решат проблемы политики, регулирования, разрешений и финансирования. …… Этот более быстрый рост значительно сократит разрыв в объеме роста возобновляемой электроэнергии, который необходим на пути к чистым нулевым выбросам к 2050 году.
МЭА. CC BY 4.0.● Источник данных за 2016 год: «Обзор рынка возобновляемых источников энергии / прогноз на 2021 и 2022 годы» (PDF) . IEA.org . Международное энергетическое агентство. Май 2021. с. 8. Архивировано (PDF) из оригинала 25 марта 2023 года.
МЭА. Лицензия: CC BY 4.0.
Пассивное дневное радиационное охлаждение (PDRC) рассеивает земное тепло в чрезвычайно холодное космическое пространство без использования каких-либо энергозатрат и загрязнения окружающей среды. У него есть потенциал одновременно смягчить две основные проблемы: энергетический кризис и глобальное потепление.
Радиационное охлаждение не потребляет внешнюю энергию, а скорее собирает холод из космоса в качестве нового возобновляемого источника энергии.
Дневное радиационное охлаждение в последнее время привлекло значительное внимание из-за его огромного потенциала пассивного использования холода Вселенной в качестве чистой и возобновляемой энергии.
Пассивное радиационное охлаждение можно рассматривать как возобновляемый источник энергии, который может перекачивать тепло в холодное пространство и делать устройства более эффективными, чем отвод тепла при температуре земной атмосферы.
Соответственно, разработка и изготовление эффективных PDRC с достаточно высоким коэффициентом отражения солнечной энергии (𝜌¯солнечной) (λ ~ 0,3–2,5 мкм) для минимизации притока солнечного тепла и одновременно сильным тепловым излучанием LWIR (ε¯LWIR) для максимизации радиационных теплопотерь является задачей очень желательно. Когда поступающее лучистое тепло от Солнца уравновешивается исходящим лучистым тепловыделением, температура Земли может достичь устойчивого состояния.
Покрыв Землю небольшой долей теплоизлучающих материалов, можно увеличить тепловой поток от Земли, а чистый радиационный поток можно уменьшить до нуля (или даже сделать отрицательным), тем самым стабилизируя (или охлаждая) Земля.
Несмотря на перебои в цепочках поставок и макроэкономические препятствия, инвестиции в энергетический переход в 2022 году подскочили на 31% и сравнялись с показателями ископаемого топлива.
Глобальные энергетические инвестиции в чистую энергию и ископаемое топливо, 2015–2023 гг. (диаграмма)— Со страниц 8 и 12 журнала World Energy Investment 2023 (архив).
В эту статью включен текст, опубликованный в соответствии с Британской лицензией открытого правительства : Министерство бизнеса, энергетики и промышленной стратегии, Агрегированные энергетические балансы, показывающие долю возобновляемых источников энергии в спросе и предложении, опубликовано 24 сентября 2020 г., по состоянию на 12 июля 2021 г.Подавляющее большинство всех публикаций подчеркивает техническую осуществимость и экономическую жизнеспособность 100% систем возобновляемой энергии.
Сегодняшние первичные источники энергии в основном невозобновляемые: природный газ, нефть, уголь, торф и традиционная ядерная энергия. Существуют также возобновляемые источники, в том числе древесина, растения, навоз, падающая вода, геотермальные источники, солнечная энергия, энергия приливов, ветра и волн, а также мускульная сила человека и животных. Ядерные реакторы, которые производят собственное топливо («размножители») и, в конечном итоге, термоядерные реакторы, также относятся к этой категории.
Текст и изображения доступны по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Архивировано 16 октября 2017 г. на Wayback Machine .
Определения из Викисловаря
СМИ из Commons
Новости из Викиновостей
Цитаты из Wikiquote
Тексты из Wikisource
Учебники из Wikibooks
Ресурсы из Викиверситета
Данные из Викиданных
/File:EGS_diagram.svg){kind=link}