Развитие энергетики — это область деятельности, сосредоточенная на получении источников энергии из природных ресурсов. Эта деятельность включает производство возобновляемых , ядерных и ископаемого топлива , а также восстановление и повторное использование энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую. Меры по энергосбережению и повышению эффективности снижают спрос на развитие энергетики и могут принести пользу обществу за счет улучшения экологических проблем .
Общества используют энергию для транспорта, производства, освещения, отопления и кондиционирования воздуха, а также связи, для промышленных, коммерческих и бытовых целей. Энергетические ресурсы можно классифицировать как первичные ресурсы, где ресурс может быть использован в существенной степени в его первоначальной форме, или как вторичные ресурсы, где источник энергии должен быть преобразован в более удобную для использования форму. Невозобновляемые ресурсы значительно истощаются в результате использования человеком, тогда как возобновляемые ресурсы производятся в ходе непрерывных процессов, которые могут поддерживать неограниченную эксплуатацию человеком.
Тысячи людей заняты в энергетической отрасли . Традиционная отрасль включает нефтяную промышленность , газовую промышленность, электроэнергетическую промышленность и атомную промышленность . Новые энергетические отрасли включают возобновляемую энергетику , включающую альтернативное и устойчивое производство, распределение и продажу альтернативных видов топлива .
Энергетические ресурсы можно классифицировать как первичные ресурсы, пригодные для конечного использования без преобразования в другую форму, или вторичные ресурсы, где используемая форма энергии требует существенного преобразования из первичного источника. Примерами первичных энергетических ресурсов являются энергия ветра , солнечная энергия , древесное топливо, ископаемое топливо, такое как уголь, нефть и природный газ, а также уран. Вторичные ресурсы — это такие ресурсы, как электричество, водород или другие синтетические виды топлива.
Другая важная классификация основана на времени, необходимом для восстановления энергетического ресурса. «Возобновляемые» ресурсы — это те, которые восстанавливают свою емкость за время, существенное для потребностей человека. Примерами являются гидроэлектроэнергия или энергия ветра, когда природные явления, которые являются основным источником энергии, продолжаются и не истощаются потребностями человека. Невозобновляемые ресурсы — это те, которые значительно истощаются в результате использования человеком и которые не восстановят свой потенциал в значительной степени в течение человеческой жизни. Примером невозобновляемого источника энергии является уголь, который не образуется естественным образом со скоростью, которая могла бы поддерживать использование человеком.
Источники ископаемого топлива ( первичные невозобновляемые ископаемые ) сжигают уголь или углеводородное топливо, которые являются остатками разложения растений и животных. Существует три основных типа ископаемого топлива: уголь, нефть и природный газ . Другое ископаемое топливо, сжиженный нефтяной газ (СНГ), в основном получают при производстве природного газа. Тепло от сжигания ископаемого топлива используется либо непосредственно для отопления помещений и технологического нагрева, либо преобразуется в механическую энергию для транспортных средств, промышленных процессов или выработки электроэнергии . Эти ископаемые виды топлива являются частью углеродного цикла и позволяют высвобождать солнечную энергию, хранящуюся в топливе.
Использование ископаемого топлива в XVIII и XIX веках подготовило почву для промышленной революции .
Ископаемое топливо составляет большую часть текущих первичных источников энергии в мире. В 2005 году 81% мировых потребностей в энергии удовлетворялось за счет ископаемых источников. [4] Технологии и инфраструктура для использования ископаемого топлива уже существуют. Жидкое топливо, полученное из нефти, обеспечивает большую полезную энергию на единицу веса или объема, что является преимуществом по сравнению с источниками с меньшей плотностью энергии, такими как батареи . Ископаемое топливо в настоящее время экономично для децентрализованного использования энергии.
Энергетическая зависимость от импортируемого ископаемого топлива создает риски энергетической безопасности для зависимых стран. [5] [6] [7] [8] [9] Зависимость от нефти в частности привела к войнам, [10] финансированию радикалов, [11] монополизации, [12] и социально-политической нестабильности. [13]
Ископаемое топливо — это невозобновляемый ресурс, который в конечном итоге сократится в производстве [14] и будет исчерпан. В то время как процессы, создавшие ископаемое топливо, продолжаются, топливо потребляется гораздо быстрее, чем естественная скорость его пополнения. Добыча топлива становится все более дорогостоящей, поскольку общество потребляет наиболее доступные месторождения топлива. [15] Добыча ископаемого топлива приводит к ухудшению окружающей среды , например, к открытой добыче угля и удалению вершин гор .
Топливная эффективность является формой тепловой эффективности , то есть эффективностью процесса, который преобразует химическую потенциальную энергию, содержащуюся в топливе- носителе, в кинетическую энергию или работу . Топливная экономия является энергетической эффективностью конкретного транспортного средства, которая определяется как отношение пройденного расстояния к единице потребленного топлива . Удельная весовая эффективность (эффективность на единицу веса) может быть указана для груза , а удельная пассажирская эффективность (эффективность транспортного средства) на одного пассажира. Неэффективное атмосферное сжигание (горение) ископаемого топлива в транспортных средствах, зданиях и электростанциях способствует возникновению городских островов тепла . [16]
Традиционная добыча нефти достигла пика , по консервативным оценкам, между 2007 и 2010 годами. В 2010 году было подсчитано, что для поддержания текущего уровня добычи в течение 25 лет потребуются инвестиции в размере 8 триллионов долларов в невозобновляемые ресурсы. [17] В 2010 году правительства субсидировали ископаемое топливо примерно на 500 миллиардов долларов в год. [18] Ископаемое топливо также является источником выбросов парниковых газов , что приводит к опасениям по поводу глобального потепления, если потребление не будет сокращено.
Сжигание ископаемого топлива приводит к выбросу загрязняющих веществ в атмосферу. Ископаемое топливо в основном состоит из соединений углерода. Во время сгорания выделяется углекислый газ , а также оксиды азота , сажа и другие мелкие частицы . Углекислый газ является основным фактором недавнего изменения климата . [19] Другие выбросы от электростанций, работающих на ископаемом топливе, включают диоксид серы , оксид углерода (CO), углеводороды , летучие органические соединения (ЛОС), ртуть , мышьяк , свинец , кадмий и другие тяжелые металлы , включая следы урана . [20] [21]
Типичная угольная электростанция вырабатывает миллиарды киловатт-часов электроэнергии в год. [22]
Ядерная энергетика — это использование ядерного деления для получения полезного тепла и электричества . Деление урана производит почти всю экономически значимую ядерную энергию. Радиоизотопные термоэлектрические генераторы составляют очень небольшой компонент генерации энергии, в основном в специализированных приложениях, таких как дальние космические аппараты.
Атомные электростанции , за исключением морских реакторов , обеспечили около 5,7% мировой энергии и 13% мировой электроэнергии в 2012 году. [23]
В 2013 году МАГАТЭ сообщило, что в 31 стране функционирует 437 ядерных энергетических реакторов [24] , [25] , хотя не каждый реактор вырабатывает электроэнергию. [26] Кроме того, в эксплуатации находится около 140 военных судов, использующих ядерные двигатели , которые работают на 180 реакторах. [27] [28] [29] По состоянию на 2013 год получение чистой энергии от устойчивых реакций ядерного синтеза, за исключением естественных источников энергии, таких как Солнце , остается актуальной областью международных физических и инженерных исследований . Спустя более 60 лет после первых попыток коммерческое производство термоядерной энергии остается маловероятным до 2050 года. [30]
Продолжаются дебаты по поводу ядерной энергетики . [31] [32] [33] Сторонники, такие как Всемирная ядерная ассоциация , МАГАТЭ и Экологи за ядерную энергетику, утверждают, что ядерная энергетика является безопасным и устойчивым источником энергии, который снижает выбросы углерода . [34] Противники утверждают, что ядерная энергетика представляет множество угроз для людей и окружающей среды . [35] [36]
Аварии на атомных электростанциях включают катастрофу в Чернобыле (1986), ядерную катастрофу на Фукусиме-1 (2011) и аварию на Три-Майл-Айленде (1979). [37] Также было несколько аварий на атомных подводных лодках. [37] [38] [39] С точки зрения потерянных жизней на единицу выработанной энергии анализ показал, что ядерная энергетика вызвала меньше смертельных случаев на единицу выработанной энергии, чем другие основные источники выработки энергии. Производство энергии из угля , нефти , природного газа и гидроэнергетики привело к большему количеству смертельных случаев на единицу выработанной энергии из-за загрязнения воздуха и последствий аварий в энергетике . [40] [41] [42] [43] [44] Однако экономические издержки аварий на атомных электростанциях высоки, и на ликвидацию последствий расплавлений могут потребоваться десятилетия. Человеческие издержки эвакуации пострадавшего населения и потери средств к существованию также значительны. [45] [46]
Сравнение скрытых случаев смерти от рака в ядерной энергетике, таких как рак, с немедленными смертями от других источников энергии на единицу произведенной энергии (GWeyr). Это исследование не включает рак, связанный с ископаемым топливом, и другие косвенные смерти, вызванные использованием ископаемого топлива в его классификации «тяжелых аварий», которая была бы аварией с более чем 5 смертельными исходами.
По данным МАГАТЭ , по состоянию на 2012 год в мире строилось 68 гражданских ядерных энергетических реакторов в 15 странах, [24] примерно 28 из которых находятся в Китайской Народной Республике (КНР), при этом последний ядерный энергетический реактор, по состоянию на май 2013 года, будет подключен к электросети 17 февраля 2013 года на АЭС Хунъяньхэ в КНР. [47] В Соединенных Штатах два новых реактора третьего поколения строятся на заводе Vogtle . Чиновники ядерной промышленности США ожидают, что к 2020 году будет введено в эксплуатацию пять новых реакторов, все на существующих станциях. [48] В 2013 году четыре стареющих, неконкурентоспособных реактора были окончательно закрыты. [49] [50]
Недавние эксперименты по извлечению урана используют полимерные канаты, покрытые веществом, которое избирательно поглощает уран из морской воды. Этот процесс может сделать значительный объем урана, растворенного в морской воде, пригодным для использования в производстве энергии. Поскольку текущие геологические процессы переносят уран в море в количествах, сопоставимых с количеством, которое было бы извлечено этим процессом, в некотором смысле морской уран становится устойчивым ресурсом. [51] [52] [ релевантно? ]
Ядерная энергетика — это низкоуглеродный метод производства электроэнергии, при этом анализ литературы по его общей интенсивности выбросов за жизненный цикл показывает, что он аналогичен возобновляемым источникам в сравнении выбросов парниковых газов (ПГ) на единицу произведенной энергии. [53] [54] С 1970-х годов ядерное топливо вытеснило около 64 гигатонн парниковых газов в эквиваленте диоксида углерода (ГтСО2-экв.) , которые в противном случае образовались бы в результате сжигания нефти, угля или природного газа на электростанциях, работающих на ископаемом топливе . [55]
Авария на АЭС «Фукусима-1» в Японии в 2011 году , произошедшая на реакторе, спроектированном в 1960-х годах , побудила многие страны переосмыслить политику ядерной безопасности и ядерной энергетики . [56] Германия решила закрыть все свои реакторы к 2022 году, а Италия запретила ядерную энергетику. [56] После Фукусимы в 2011 году Международное энергетическое агентство вдвое снизило свою оценку дополнительных ядерных генерирующих мощностей, которые должны быть построены к 2035 году. [57] [58]
После ядерной катастрофы на АЭС «Фукусима-1» в 2011 году — второго по масштабам ядерного инцидента , в результате которого 50 000 домохозяйств были вынуждены покинуть свои дома после утечки радиоактивных материалов в воздух, почву и море [59] , а также последовавших проверок на радиацию, приведших к запрету на некоторые поставки овощей и рыбы [60], — было опубликовано глобальное исследование общественной поддержки источников энергии, проведенное компанией Ipsos (2011), и было установлено, что ядерное деление является наименее популярным [61].
.png/1280px-Global_public_support_for_energy_sources_(Ipsos_2011).png)
Экономика новых атомных электростанций является спорным вопросом, поскольку существуют различные мнения по этому вопросу, а многомиллиардные инвестиции зависят от выбора источника энергии. Атомные электростанции, как правило, имеют высокие капитальные затраты на строительство станции, но низкие прямые затраты на топливо. В последние годы наблюдается замедление роста спроса на электроэнергию, и финансирование стало более сложным, что влияет на крупные проекты, такие как ядерные реакторы, с очень большими первоначальными затратами и длительными проектными циклами, которые несут в себе множество различных рисков. [62] В Восточной Европе ряд давно существующих проектов испытывают трудности с поиском финансирования, в частности, Белене в Болгарии и дополнительные реакторы в Чернаводе в Румынии, и некоторые потенциальные спонсоры вышли из игры. [62] Там, где доступен дешевый газ и его будущие поставки относительно надежны, это также представляет серьезную проблему для ядерных проектов. [62]
Анализ экономики ядерной энергетики должен учитывать, кто несет риски будущих неопределенностей. До настоящего времени все действующие атомные электростанции были разработаны государственными или регулируемыми коммунальными монополиями [63] [64] , где многие риски, связанные со стоимостью строительства, эксплуатационными показателями, ценой на топливо и другими факторами, несли потребители, а не поставщики. Многие страны в настоящее время либерализовали рынок электроэнергии , где эти риски и риск появления более дешевых конкурентов до возмещения капитальных затрат несут поставщики и операторы электростанций, а не потребители, что приводит к существенно иной оценке экономики новых атомных электростанций. [65]
Расходы, вероятно, возрастут для действующих и новых атомных электростанций из-за возросших требований к управлению отработанным топливом на месте и возросших проектных угроз. [66] В то время как первые в своем роде проекты, такие как строящиеся EPR, отстают от графика и превышают бюджет, из семи южнокорейских APR-1400, которые в настоящее время строятся по всему миру, два находятся в Южной Корее на АЭС Ханул и четыре находятся на крупнейшем проекте строительства атомной станции в мире по состоянию на 2016 год, в Объединенных Арабских Эмиратах на планируемой АЭС Барака . Первый реактор, Barakah-1, завершен на 85% и идет по графику для подключения к сети в течение 2017 года. [67] [68] Два из четырех строящихся EPR (в Финляндии и Франции) значительно отстают от графика и существенно превышают стоимость. [69]
Возобновляемая энергия обычно определяется как энергия, которая поступает из ресурсов, которые естественным образом восполняются в масштабах времени человека, таких как солнечный свет , ветер , дождь , приливы , волны и геотермальное тепло . Возобновляемая энергия заменяет обычные виды топлива в четырех различных областях: производство электроэнергии , горячая вода / отопление помещений , моторное топливо и сельские (внесетевые) энергетические услуги.
Включая традиционное использование биомассы, около 19% мирового потребления энергии приходится на возобновляемые ресурсы. [72] Производство энергии с помощью ветра рассматривается как важный источник возобновляемой энергии, что увеличивает глобальную мощность ветроэнергетики на 12% в 2021 году. [73] Хотя это касается не всех стран, 58% стран выборки связали потребление возобновляемой энергии с положительным влиянием на экономический рост. [74] На национальном уровне по крайней мере 30 стран по всему миру уже имеют возобновляемую энергию, составляющую более 20% поставок энергии. Прогнозируется, что национальные рынки возобновляемой энергии продолжат активно расти в следующем десятилетии и далее. [76]
В отличие от других источников энергии, возобновляемые источники энергии не так ограничены географией. Кроме того, внедрение возобновляемых источников энергии приводит к экономическим выгодам, а также к борьбе с изменением климата. Сельская электрификация [75] была исследована на нескольких участках и оказала положительное влияние на коммерческие расходы, использование бытовой техники и общие виды деятельности, требующие электричества в качестве энергии. [76] Рост возобновляемых источников энергии по крайней мере в 38 странах был обусловлен высокими показателями потребления электроэнергии. [77] Международная поддержка продвижения возобновляемых источников, таких как солнечная и ветровая энергия, продолжает расти.
Хотя многие проекты в области возобновляемой энергии являются крупномасштабными, возобновляемые технологии также подходят для сельских и отдаленных районов и развивающихся стран , где энергия часто имеет решающее значение для развития человека . Чтобы обеспечить устойчивое развитие человека, правительства по всему миру начинают исследовать потенциальные пути внедрения возобновляемых источников в свои страны и экономики. Например, Департамент энергетики и изменения климата правительства Великобритании Pathways 2050 создал метод картирования для просвещения общественности о конкуренции за землю между технологиями энергоснабжения. [78] Этот инструмент дает пользователям возможность понять, какие ограничения и потенциал есть у их окружающей земли и страны с точки зрения производства энергии.
Гидроэлектроэнергия — это электроэнергия, вырабатываемая гидроэнергией ; силой падающей или текущей воды. В 2015 году гидроэнергетика вырабатывала 16,6% от общего объема электроэнергии в мире и 70% всей возобновляемой электроэнергии [79] [ нужна страница ] и, как ожидалось, будет увеличиваться примерно на 3,1% каждый год в течение следующих 25 лет.
Гидроэлектроэнергия производится в 150 странах, а Азиатско-Тихоокеанский регион вырабатывал 32 процента мировой гидроэлектроэнергии в 2010 году. Китай является крупнейшим производителем гидроэлектроэнергии, выработав 721 тераватт-час в 2010 году, что составляет около 17 процентов внутреннего потребления электроэнергии. В настоящее время существуют три гидроэлектростанции мощностью более 10 ГВт: плотина Три ущелья в Китае, плотина Итайпу на границе Бразилии и Парагвая и плотина Гури в Венесуэле. [80]
Стоимость гидроэлектроэнергии относительно низкая, что делает ее конкурентоспособным источником возобновляемой электроэнергии. Средняя стоимость электроэнергии от гидроэлектростанции мощностью более 10 мегаватт составляет от 3 до 5 центов США за киловатт-час. [80] Гидроэлектростанции также являются гибким источником электроэнергии, поскольку электростанции можно очень быстро наращивать и снижать, чтобы адаптироваться к изменяющимся потребностям в энергии. Однако строительство плотин прерывает течение рек и может нанести вред местным экосистемам, а строительство крупных плотин и водохранилищ часто влечет за собой перемещение людей и диких животных. [80] После того, как гидроэлектростанция построена, проект не производит прямых отходов и имеет значительно более низкий уровень выбросов парниковых газов, углекислого газа, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе . [81]
Ветроэнергетика использует силу ветра для приведения в движение лопастей ветряных турбин . Эти турбины вызывают вращение магнитов , что создает электричество. Ветряные башни обычно строятся вместе на ветряных электростанциях . Существуют морские и наземные ветряные электростанции. Глобальная мощность ветряной энергетики быстро выросла до 336 ГВт в июне 2014 года, а производство ветряной энергии составило около 4% от общего мирового потребления электроэнергии и быстро растет. [82]
Ветроэнергетика широко используется в Европе , Азии и Соединенных Штатах . [83] Несколько стран достигли относительно высокого уровня проникновения ветроэнергетики, например, 21% стационарного производства электроэнергии в Дании , [84] 18% в Португалии , [84] 16% в Испании , [84] 14% в Ирландии , [85] и 9% в Германии в 2010 году. [84] [86] : 11 К 2011 году более 50% электроэнергии в Германии и Испании приходилось на энергию ветра и солнца. [87] [88] По состоянию на 2011 год 83 страны мира используют энергию ветра на коммерческой основе. [86] : 11
Многие из крупнейших в мире наземных ветровых электростанций расположены в Соединенных Штатах , Китае и Индии . Большинство крупнейших в мире офшорных ветровых электростанций расположены в Дании , Германии и Великобритании . Две крупнейшие в настоящее время офшорные ветровые электростанции — это London Array мощностью 630 МВт и Gwynt y Môr .
Солнечная энергия — это лучистый свет и тепло от Солнца , которые используются с помощью ряда технологий, таких как солнечная энергия для выработки электроэнергии , солнечная тепловая энергия (включая солнечный водонагреватель ) и солнечная архитектура . [96] [97] [98] Это важный источник возобновляемой энергии , и его технологии в целом характеризуются как пассивные солнечные или активные солнечные в зависимости от того, как они улавливают и распределяют солнечную энергию или преобразуют ее в солнечную энергию. Активные солнечные методы включают использование фотоэлектрических систем , концентрированной солнечной энергии и солнечного водонагревателя для использования энергии. Пассивные солнечные методы включают ориентацию здания на Солнце, выбор материалов с благоприятной тепловой массой или светорассеивающими свойствами и проектирование пространств, в которых воздух естественным образом циркулирует .
В 2011 году Международное энергетическое агентство заявило, что «разработка доступных, неисчерпаемых и чистых технологий солнечной энергии будет иметь огромные долгосрочные выгоды. Это увеличит энергетическую безопасность стран за счет опоры на местные, неисчерпаемые и в основном независимые от импорта ресурсы, повысит устойчивость , сократит загрязнение , снизит затраты на смягчение глобального потепления ... эти преимущества являются глобальными». [96] [99]Биотопливо — это топливо , которое содержит энергию из геологически недавней фиксации углерода . Эти виды топлива производятся из живых организмов . Примерами такой фиксации углерода являются растения и микроводоросли . Эти виды топлива производятся путем преобразования биомассы (биомасса относится к недавно живым организмам, чаще всего к растениям или материалам растительного происхождения). Эта биомасса может быть преобразована в удобные энергосодержащие вещества тремя различными способами: термическое преобразование, химическое преобразование и биохимическое преобразование. Это преобразование биомассы может привести к получению топлива в твердой , жидкой или газообразной форме. Эта новая биомасса может использоваться для биотоплива. Биотопливо стало более популярным из-за роста цен на нефть и необходимости обеспечения энергетической безопасности .
Биоэтанол — это спирт , получаемый путем ферментации , в основном из углеводов, получаемых из сахарных или крахмалистых культур, таких как кукуруза или сахарный тростник . Целлюлозная биомасса , получаемая из непищевых источников, таких как деревья и травы, также разрабатывается в качестве сырья для производства этанола. Этанол может использоваться в качестве топлива для транспортных средств в чистом виде, но обычно его используют в качестве добавки к бензину для повышения октанового числа и улучшения выбросов транспортных средств. Биоэтанол широко используется в США и Бразилии . Текущая конструкция завода не предусматривает преобразование лигниновой части растительного сырья в топливные компоненты путем ферментации.
Биодизель производится из растительных масел и животных жиров . Биодизель может использоваться в качестве топлива для транспортных средств в чистом виде, но обычно его используют в качестве присадки к дизельному топливу для снижения уровня твердых частиц, оксида углерода и углеводородов в дизельных транспортных средствах. Биодизель производится из масел или жиров с использованием переэтерификации и является наиболее распространенным биотопливом в Европе. Однако ведутся исследования по производству возобновляемого топлива путем декарбоксилирования [100]
В 2010 году мировое производство биотоплива достигло 105 миллиардов литров (28 миллиардов галлонов США), что на 17% больше, чем в 2009 году, [101] и биотопливо обеспечило 2,7% мирового топлива для автомобильного транспорта, вклад в основном состоял из этанола и биодизеля. [ необходима цитата ] Мировое производство этанолового топлива достигло 86 миллиардов литров (23 миллиарда галлонов США) в 2010 году, причем Соединенные Штаты и Бразилия являются крупнейшими мировыми производителями, на долю которых приходится 90% мирового производства. Крупнейшим в мире производителем биодизеля является Европейский союз , на долю которого в 2010 году пришлось 53% всего производства биодизеля. [101] По состоянию на 2011 год мандаты на смешивание биотоплива существуют в 31 стране на национальном уровне и в 29 штатах или провинциях. [86] : 13–14 Международное энергетическое агентство поставило перед собой цель к 2050 году обеспечить биотопливо более чем на четверть мирового спроса на транспортное топливо, чтобы снизить зависимость от нефти и угля. [102]
Геотермальная энергия — это тепловая энергия, которая вырабатывается и хранится в Земле. Тепловая энергия — это энергия, которая определяет температуру вещества . Геотермальная энергия земной коры берет свое начало в первоначальном образовании планеты (20%) и в радиоактивном распаде минералов (80%). [103] Геотермальный градиент , представляющий собой разницу температур между ядром планеты и ее поверхностью, обеспечивает непрерывную проводимость тепловой энергии в форме тепла от ядра к поверхности. Прилагательное геотермальный происходит от греческих корней γη (ge) , что означает земля, и θερμος (thermos) , что означает горячий.
Внутреннее тепло Земли — это тепловая энергия, вырабатываемая радиоактивным распадом и постоянной потерей тепла при формировании Земли. Температура на границе ядра и мантии может достигать более 4000 °C (7200 °F). [104] Высокая температура и давление в недрах Земли приводят к плавлению некоторых пород и пластичному поведению твердой мантии , в результате чего части мантии конвектируют вверх, поскольку они легче окружающих пород. Породы и вода нагреваются в коре, иногда до 370 °C (700 °F). [105]
Геотермальная энергия из горячих источников использовалась для купания со времен палеолита и для отопления помещений со времен Древнего Рима, но сейчас она больше известна для производства электроэнергии . Во всем мире 11 400 мегаватт (МВт) геотермальной энергии было в сети в 24 странах в 2012 году. [106] Дополнительные 28 гигаватт прямой геотермальной тепловой мощности были установлены для централизованного теплоснабжения, отопления помещений, спа, промышленных процессов, опреснения и сельскохозяйственных применений в 2010 году. [107]
Геотермальная энергия является экономически эффективной, надежной, устойчивой и экологически чистой, [108], но исторически она была ограничена районами вблизи границ тектонических плит . Недавние технологические достижения значительно расширили диапазон и размер жизнеспособных ресурсов, особенно для таких применений, как отопление домов, открывая потенциал для широкомасштабной эксплуатации. Геотермальные скважины выделяют парниковые газы, запертые глубоко в земле, но эти выбросы намного ниже на единицу энергии, чем у ископаемого топлива. В результате геотермальная энергия имеет потенциал помочь смягчить глобальное потепление , если ее широко использовать вместо ископаемого топлива.
Геотермальные ресурсы Земли теоретически более чем достаточны для удовлетворения энергетических потребностей человечества, но только очень малая их часть может быть прибыльно эксплуатирована. Бурение и разведка глубоких ресурсов обходятся очень дорого. Прогнозы относительно будущего геотермальной энергетики зависят от предположений о технологиях, ценах на энергию, субсидиях и процентных ставках. Пилотные программы, такие как выбор клиентами программы Green Power компании EWEB [109], показывают, что клиенты были бы готовы заплатить немного больше за возобновляемый источник энергии, такой как геотермальная энергия. Но в результате исследований, проводимых при поддержке правительства, и опыта отрасли стоимость генерации геотермальной энергии снизилась на 25% за последние два десятилетия. [110] В 2001 году стоимость геотермальной энергии составляла от двух до десяти центов США за кВт·ч. [111]
Возобновляемая морская энергия (MRE) или морская энергия (иногда также называемая энергией океана, морской и гидрокинетической энергией) относится к энергии, переносимой механической энергией океанских волн , течений и приливов , сдвигов градиентов солености и разницы температур океана . MRE имеет потенциал стать надежным и возобновляемым источником энергии из-за циклической природы океанов . [112] Движение воды в мировых океанах создает огромный запас кинетической энергии или энергии в движении. Эту энергию можно использовать для выработки электроэнергии для питания домов, транспорта и промышленности.
Термин «морская энергия» охватывает как энергию волн , т. е. энергию поверхностных волн, так и приливную энергию , т. е. получаемую из кинетической энергии больших объемов движущейся воды. Морская ветроэнергетика не является формой морской энергии, поскольку энергия ветра получается из ветра, даже если ветряные турбины размещены над водой. Океаны обладают огромным количеством энергии и находятся близко ко многим, если не к большинству, популяциям. Энергия океана имеет потенциал для обеспечения значительного количества новой возобновляемой энергии по всему миру. [113]
Технология морской энергетики находится на первом этапе развития. Для разработки MRE необходимы эффективные методы хранения, транспортировки и захвата энергии океана, чтобы ее можно было использовать там, где это необходимо. [114] За последний год страны по всему миру начали внедрять рыночные стратегии для коммерциализации MRE. Канада и Китай ввели стимулы, такие как фиксированные тарифы (FiTs) , которые представляют собой цены выше рыночных для MRE, что позволяет инвесторам и разработчикам проектов получать стабильный доход. Другие финансовые стратегии состоят из субсидий, грантов и финансирования из государственно-частных партнерств (ГЧП) . Только Китай одобрил 100 проектов в области океанологии в 2019 году. [115] Португалия и Испания признают потенциал MRE в ускорении декарбонизации , что имеет основополагающее значение для достижения целей Парижского соглашения . Обе страны сосредоточены на аукционах по солнечной и морской ветровой энергии для привлечения частных инвестиций, обеспечения экономической эффективности и ускорения роста MRE. [116] Ирландия рассматривает MRE как ключевой компонент для сокращения своего углеродного следа. План развития возобновляемой морской энергии (OREDP) поддерживает разведку и разработку значительного офшорного энергетического потенциала страны. [117] Кроме того, Ирландия внедрила Схему поддержки возобновляемой электроэнергии (RESS), которая включает аукционы, предназначенные для предоставления финансовой поддержки сообществам, увеличения технологического разнообразия и гарантии энергетической безопасности . [118]
Однако, хотя исследования расширяются, возникают опасения, связанные с угрозами морским млекопитающим, местам обитания и потенциальными изменениями океанических течений. MRE может быть возобновляемым источником энергии для прибрежных сообществ, помогая им перейти от ископаемого топлива, но исследователи призывают к лучшему пониманию его воздействия на окружающую среду. [119] Поскольку районы океанской энергии часто изолированы как от рыболовства, так и от морского транспорта, эти зоны могут служить убежищем от людей и хищников для некоторых морских видов. Устройства MRE могут быть идеальным домом для многих рыб , раков , моллюсков и морских желудей ; а также могут косвенно влиять на морских птиц и морских млекопитающих , поскольку они питаются этими видами. Аналогичным образом, такие районы могут создавать « эффект искусственного рифа », увеличивая биоразнообразие поблизости. Шумовое загрязнение , создаваемое технологией, ограничено, что также приводит к возвращению рыб и млекопитающих, живущих в районе установки. [120] В последнем отчете о состоянии науки об MRE авторы утверждают, что нет никаких доказательств того, что рыбы, млекопитающие или морские птицы могут быть травмированы либо столкновением, либо шумовым загрязнением, либо электромагнитным полем. Неопределенность его воздействия на окружающую среду возникает из-за малого количества устройств MRE в океане сегодня, где собираются данные. [121]
Стимул к использованию 100% возобновляемой энергии для электричества, транспорта или даже общего первичного энергоснабжения во всем мире был мотивирован глобальным потеплением и другими экологическими, а также экономическими проблемами. Использование возобновляемой энергии росло гораздо быстрее, чем кто-либо ожидал. [122] Межправительственная группа экспертов по изменению климата заявила, что существует несколько фундаментальных технологических ограничений для интеграции портфеля технологий возобновляемой энергии для удовлетворения большей части общего мирового спроса на энергию. [123] На национальном уровне по крайней мере 30 стран по всему миру уже имеют возобновляемую энергию, составляющую более 20% энергоснабжения. Кроме того, Стивен В. Пакала и Роберт Х. Соколов разработали ряд « стабилизационных клиньев », которые могут позволить нам поддерживать наше качество жизни, избегая при этом катастрофического изменения климата, и «возобновляемые источники энергии» в совокупности составляют наибольшее количество их «клиньев». [124]
Марк З. Якобсон говорит, что производство всей новой энергии с помощью энергии ветра , солнца и воды к 2030 году осуществимо, а существующие схемы поставок энергии могут быть заменены к 2050 году. Препятствия к реализации плана возобновляемой энергии рассматриваются как «в первую очередь социальные и политические, а не технологические или экономические». Якобсон говорит, что затраты на энергию с помощью ветровой, солнечной и водной системы должны быть аналогичны сегодняшним затратам на энергию. [125]
Аналогичным образом, в Соединенных Штатах независимый Национальный исследовательский совет отметил, что «существует достаточно внутренних возобновляемых ресурсов, чтобы возобновляемая электроэнергия могла играть значительную роль в будущем производстве электроэнергии и, таким образом, помогать решать проблемы, связанные с изменением климата, энергетической безопасностью и ростом цен на энергию... Возобновляемая энергия является привлекательным вариантом, поскольку возобновляемые ресурсы, доступные в Соединенных Штатах, в совокупности могут поставлять значительно большее количество электроэнергии, чем общий текущий или прогнозируемый внутренний спрос». [126]
Критики подхода «100% возобновляемой энергии» включают Вацлава Смила и Джеймса Э. Хансена . Смил и Хансен обеспокоены переменной выработкой солнечной и ветровой энергии, но Эмори Ловинс утверждает, что электросеть может справиться, так же как она обычно резервирует неработающие угольные и атомные станции работающими. [127]
Google потратила 30 миллионов долларов на свой проект «Возобновляемая энергия дешевле угля» для разработки возобновляемой энергии и предотвращения катастрофического изменения климата. Проект был отменен после того, как был сделан вывод о том, что наилучший сценарий быстрого прогресса в возобновляемой энергии может привести только к выбросам на 55 процентов ниже прогнозов по ископаемому топливу на 2050 год. [128]
Хотя повышение эффективности использования энергии само по себе не является развитием энергетики, его можно рассматривать в рамках темы развития энергетики, поскольку оно делает существующие источники энергии доступными для выполнения работы. [130] : 22
Эффективное использование энергии снижает количество энергии, необходимое для предоставления продуктов и услуг. Например, изоляция дома позволяет зданию использовать меньше энергии на отопление и охлаждение для поддержания комфортной температуры. Установка люминесцентных ламп или естественных световых люков снижает количество энергии, необходимое для освещения по сравнению с лампами накаливания . Компактные люминесцентные лампы потребляют на две трети меньше энергии и могут служить в 6–10 раз дольше, чем лампы накаливания. Повышение энергоэффективности чаще всего достигается за счет внедрения эффективной технологии или производственного процесса. [131]
Сокращение потребления энергии может сэкономить деньги потребителей, если экономия энергии компенсирует стоимость энергоэффективной технологии. Сокращение потребления энергии сокращает выбросы. По данным Международного энергетического агентства , повышение энергоэффективности в зданиях , промышленных процессах и транспорте может снизить глобальный спрос на энергию в 2050 году примерно на 8% меньше, чем сегодня, но обслуживая экономику, которая будет больше в два раза, и население которой увеличится примерно на 2 миллиарда человек. [132]
Эффективность использования энергии и возобновляемые источники энергии считаются двумя столпами устойчивой энергетической политики. [133] Во многих странах эффективность использования энергии также рассматривается как преимущество для национальной безопасности, поскольку она может быть использована для снижения уровня импорта энергии из-за рубежа и может замедлить темпы истощения внутренних энергетических ресурсов.
Было обнаружено, что «в странах ОЭСР ветровая, геотермальная, гидро- и ядерная энергетика имеют самые низкие показатели опасности среди источников энергии в производстве». [134]
В то время как новые источники энергии редко открываются или становятся возможными благодаря новым технологиям , технология распределения постоянно развивается. [135] Например, использование топливных элементов в автомобилях является ожидаемой технологией доставки. [136] В этом разделе представлены различные технологии доставки, которые сыграли важную роль в историческом развитии энергетики. Все они в той или иной степени опираются на источники энергии, перечисленные в предыдущем разделе.
Уголь , нефть и их производные доставляются по воде, железной дороге или по дороге. Нефть и природный газ также могут доставляться по трубопроводу , а уголь — по пульпопроводу . Топливо, такое как бензин и сжиженный нефтяной газ, также может доставляться по воздуху . Трубопроводы природного газа должны поддерживать определенное минимальное давление для правильной работы. Более высокие затраты на транспортировку и хранение этанола часто являются непомерными. [137]
Электрические сети — это сети , используемые для передачи и распределения электроэнергии от источника производства к конечному потребителю, когда они могут находиться на расстоянии сотен километров. Источники включают электростанции, такие как ядерный реактор , угольная электростанция и т. д. Для поддержания постоянного потока электроэнергии используется комбинация подстанций и линий электропередачи. Сети могут страдать от временных отключений и отключений электроэнергии , часто из-за погодных условий. Во время определенных экстремальных космических погодных явлений солнечный ветер может мешать передаче. Сети также имеют предопределенную пропускную способность или нагрузку, которую нельзя безопасно превышать. Когда требования к мощности превышают то, что доступно, сбои неизбежны. Чтобы предотвратить проблемы, мощность нормируется.
Промышленно развитые страны, такие как Канада, США и Австралия, входят в число самых высоких потребителей электроэнергии на душу населения в мире, что стало возможным благодаря широко распространенной электрической распределительной сети. Сеть США является одной из самых передовых, [ требуется ссылка ], хотя обслуживание инфраструктуры становится проблемой. CurrentEnergy предоставляет обзор в реальном времени спроса и предложения электроэнергии в Калифорнии , Техасе и на северо-востоке США. Африканские страны с небольшими электрическими сетями имеют соответственно низкое годовое потребление электроэнергии на душу населения. Одна из самых мощных электросетей в мире поставляет электроэнергию в штат Квинсленд , Австралия.
Беспроводная передача энергии — это процесс, при котором электрическая энергия передается от источника питания к электрической нагрузке, не имеющей встроенного источника питания, без использования соединительных проводов. Доступная в настоящее время технология ограничена короткими расстояниями и относительно низким уровнем мощности.
Орбитальные солнечные коллекторы потребуют беспроводной передачи энергии на Землю. Предлагаемый метод включает создание большого пучка радиоволн микроволновой частоты, который будет направлен на место расположения антенны коллектора на Земле. Существуют огромные технические проблемы, которые необходимо решить для обеспечения безопасности и рентабельности такой схемы.
Хранение энергии осуществляется с помощью устройств или физических носителей, которые хранят энергию для выполнения полезной операции в более позднее время. Устройство, которое хранит энергию, иногда называют аккумулятором .
Все формы энергии являются либо потенциальной энергией (например, химическая , гравитационная , электрическая энергия , разность температур, скрытая теплота и т. д.), либо кинетической энергией (например, импульс ). Некоторые технологии обеспечивают только краткосрочное хранение энергии, а другие могут быть очень долгосрочными, например, выработка энергии на газе с использованием водорода или метана и хранение тепла или холода между противоположными сезонами в глубоких водоносных горизонтах или коренных породах. Заводные часы хранят потенциальную энергию (в данном случае механическую, в натяжении пружины), батарея хранит легко преобразуемую химическую энергию для работы мобильного телефона, а гидроэлектростанция хранит энергию в резервуаре в виде гравитационной потенциальной энергии . Ледохранилища хранят лед ( тепловую энергию в форме скрытой теплоты) ночью, чтобы удовлетворить пиковый спрос на охлаждение. Ископаемые виды топлива, такие как уголь и бензин, хранят древнюю энергию, полученную от солнечного света организмами, которые позже умерли, были погребены и со временем были преобразованы в это топливо. Даже еда (которая производится тем же процессом, что и ископаемое топливо) является формой энергии, хранящейся в химической форме.
С доисторических времен, когда человечество открыло огонь для разогрева и жарки пищи, в средние века, когда население строило ветряные мельницы для помола пшеницы, и до современной эпохи, когда народы могут получать электричество, расщепляя атом. Человек бесконечно искал источники энергии.
За исключением ядерной, геотермальной и приливной энергии , все остальные источники энергии происходят из текущей солнечной изоляции или из ископаемых остатков растений и животных, которые полагались на солнечный свет. В конечном счете, сама солнечная энергия является результатом ядерного синтеза Солнца. Геотермальная энергия из горячей, затвердевшей породы над магмой ядра Земли является результатом распада радиоактивных материалов, присутствующих под земной корой, а ядерное деление зависит от искусственного деления тяжелых радиоактивных элементов в земной коре; в обоих случаях эти элементы были получены во взрывах сверхновых до образования Солнечной системы .
С начала промышленной революции вопрос о будущем поставок энергии представлял интерес. В 1865 году Уильям Стэнли Джевонс опубликовал «Угольный вопрос» , в котором он увидел, что запасы угля истощаются, а нефть является неэффективной заменой. В 1914 году Горное бюро США заявило, что общая добыча составляет 5,7 млрд баррелей (910 000 000 м 3 ). В 1956 году геофизик М. Кинг Хабберт пришел к выводу, что добыча нефти в США достигнет пика между 1965 и 1970 годами и что добыча нефти достигнет пика «в течение полувека» на основе данных 1956 года. В 1989 году пик был предсказан Колином Кэмпбеллом [138]. В 2004 году ОПЕК подсчитала, что при существенных инвестициях она почти удвоит добычу нефти к 2025 году [139].
Экологическое движение подчеркнуло устойчивость использования и развития энергии. [140] Возобновляемая энергия устойчива в своем производстве; доступный запас не будет уменьшаться в обозримом будущем - миллионы или миллиарды лет. «Устойчивость» также относится к способности окружающей среды справляться с отходами, особенно загрязнением воздуха . Источники, которые не имеют прямых отходов (такие как ветер, солнце и гидроэнергетика), поднимаются в этом вопросе. С ростом мирового спроса на энергию растет необходимость принятия различных источников энергии. Энергосбережение является альтернативным или дополнительным процессом развития энергетики. Оно снижает спрос на энергию за счет ее эффективного использования.
Некоторые наблюдатели утверждают, что идея « энергетической независимости » является нереалистичной и непрозрачной концепцией. [141] Альтернативное предложение «энергетической устойчивости» является целью, согласованной с экономическими, безопасными и энергетическими реалиями. Понятие устойчивости в энергетике было подробно описано в книге 1982 года « Хрупкая сила : энергетическая стратегия национальной безопасности» . [142] Авторы утверждали, что простое переключение на отечественную энергию не будет безопасным по своей сути, поскольку истинной слабостью является часто взаимозависимая и уязвимая энергетическая инфраструктура страны. Ключевые аспекты, такие как газопроводы и электросеть, часто централизованы и легко подвержены сбоям. Они приходят к выводу, что «устойчивое энергоснабжение» необходимо как для национальной безопасности, так и для окружающей среды. Они рекомендуют сосредоточиться на энергоэффективности и возобновляемой энергии, которая децентрализована. [143]
В 2008 году бывший председатель и генеральный директор корпорации Intel Эндрю Гроув обратил внимание на энергетическую устойчивость, утверждая, что полная независимость невозможна, учитывая глобальный рынок энергии. [144] Он описывает энергетическую устойчивость как способность приспосабливаться к перебоям в поставках энергии. С этой целью он предлагает США больше использовать электроэнергию. [145] Электроэнергия может производиться из разных источников. Разнообразное энергоснабжение будет меньше зависеть от перебоев в поставках из любого одного источника. Он рассуждает о том, что еще одной особенностью электрификации является то, что электричество «липкое» — это означает, что электроэнергия, произведенная в США, должна оставаться там, поскольку ее нельзя транспортировать за границу. По словам Гроува, ключевым аспектом продвижения электрификации и энергетической устойчивости станет перевод автомобильного парка США с бензинового на электрический. Это, в свою очередь, потребует модернизации и расширения электросети. Как отмечают такие организации, как The Reform Institute , достижения, связанные с разработкой интеллектуальной сети, будут способствовать способности сети поглощать транспортные средства в массовом порядке, подключаясь к ней для зарядки своих аккумуляторов. [146]
Экстраполяции от текущих знаний к будущему предлагают выбор энергетического будущего. [149] Прогнозы параллельны гипотезе мальтузианской катастрофы . Многочисленные сложные модели основаны на сценариях , как пионер Limits to Growth . Подходы моделирования предлагают способы анализа различных стратегий и, как мы надеемся, нахождения пути к быстрому и устойчивому развитию человечества. Краткосрочные энергетические кризисы также являются проблемой энергетического развития. Экстраполяции не имеют правдоподобия, особенно когда они предсказывают постоянный рост потребления нефти. [ необходима цитата ]
Производство энергии обычно требует энергетических инвестиций. Бурение нефтяных скважин или строительство ветряной электростанции требует энергии. Оставшиеся ископаемые топливные ресурсы часто становится все труднее извлекать и преобразовывать. Таким образом, они могут требовать все более высоких энергетических инвестиций. Если инвестиции превышают стоимость энергии, произведенной ресурсом, он больше не является эффективным источником энергии. Эти ресурсы больше не являются источником энергии, но могут эксплуатироваться с целью получения ценности в качестве сырья. Новые технологии могут снизить энергетические инвестиции, необходимые для извлечения и преобразования ресурсов, хотя в конечном итоге базовая физика устанавливает пределы, которые нельзя превышать.
В период с 1950 по 1984 год, когда Зеленая революция преобразила сельское хозяйство по всему миру, мировое производство зерна увеличилось на 250%. Энергия для Зеленой революции была предоставлена ископаемым топливом в форме удобрений (природный газ), пестицидов (нефть) и орошения на углеводородном топливе . [150] Пик мирового производства углеводородов ( пик нефти ) может привести к значительным изменениям и потребовать устойчивых методов производства. [151] Одно из видений устойчивого энергетического будущего предполагает, что все человеческие структуры на поверхности Земли (т. е. здания, транспортные средства и дороги) будут осуществлять искусственный фотосинтез (используя солнечный свет для расщепления воды в качестве источника водорода и поглощая углекислый газ для производства удобрений) эффективнее, чем растения. [152]
С современной экономической деятельностью космической промышленности [153] [154] и связанными с этим частными космическими полетами , с производственными отраслями , которые выходят на орбиту Земли или дальше, доставка их в эти регионы потребует дальнейшего развития энергетики. [155] [156] Исследователи рассматривали космическую солнечную энергию для сбора солнечной энергии для использования на Земле. Космическая солнечная энергия исследуется с начала 1970-х годов. Космическая солнечная энергия потребует строительства коллекторных структур в космосе. Преимущество перед наземной солнечной энергией заключается в более высокой интенсивности света и отсутствии погоды, которая могла бы помешать сбору энергии.
Энергетические технологии — это междисциплинарная инженерная наука, занимающаяся эффективным, безопасным, экологически чистым и экономичным извлечением, преобразованием, транспортировкой, хранением и использованием энергии , направленная на достижение высокой эффективности при одновременном исключении побочных эффектов для человека, природы и окружающей среды.
Для людей энергия является подавляющей потребностью, и как дефицитный ресурс , она была основной причиной политических конфликтов и войн. Сбор и использование энергетических ресурсов может быть вредным для местных экосистем и может иметь глобальные последствия.
Энергия — это также способность выполнять работу. Мы можем получать энергию из пищи. Энергия может быть разных форм, таких как кинетическая, потенциальная, механическая, тепловая, световая и т. д. Энергия требуется отдельным людям и всему обществу для освещения, отопления, приготовления пищи, работы, промышленности, эксплуатации транспорта и т. д. В основном существует два типа энергии в зависимости от источника: 1. Возобновляемые источники энергии 2. Невозобновляемые источники энергии
Как междисциплинарная наука, энергетические технологии связаны со многими междисциплинарными областями различными пересекающимися способами.
.jpg/1280px-Qatar,_power_lines_(6).jpg)
Электроэнергетика занимается производством и использованием электроэнергии , что может повлечь за собой изучение таких машин, как генераторы , электродвигатели и трансформаторы . Инфраструктура включает подстанции и трансформаторные станции , линии электропередач и электрический кабель . Управление нагрузкой и управление питанием по сетям оказывают существенное влияние на общую энергоэффективность. Электроотопление также широко используется и исследуется.
Термодинамика изучает фундаментальные законы преобразования энергии и основана на теоретической физике .
Тепловая и химическая энергия тесно переплетены с химией и экологическими исследованиями . Сгорание связано с горелками и химическими двигателями всех видов, решетками и мусоросжигательными печами, а также с их энергоэффективностью, загрязнением и эксплуатационной безопасностью.
Технология очистки выхлопных газов направлена на уменьшение загрязнения воздуха посредством различных механических, термических и химических методов очистки. Технология контроля выбросов является областью технологического и химического машиностроения . Технология котлов занимается проектированием, строительством и эксплуатацией паровых котлов и турбин (также используемых в ядерной энергетике, см. ниже), взятых из прикладной механики и материаловедения .
Преобразование энергии связано с двигателями внутреннего сгорания, турбинами, насосами, вентиляторами и т. д., которые используются для транспортировки, механической энергии и производства электроэнергии. Высокие тепловые и механические нагрузки вызывают проблемы безопасности эксплуатации, которые решаются посредством многих отраслей прикладной инженерной науки.
Ядерные технологии занимаются производством ядерной энергии с помощью ядерных реакторов , а также переработкой ядерного топлива и утилизацией радиоактивных отходов, опираясь на прикладную ядерную физику , ядерную химию и радиационную науку.
Производство ядерной энергии было предметом политических споров во многих странах на протяжении нескольких десятилетий, но электроэнергия, производимая посредством ядерного деления, имеет мировое значение. [157] Существуют большие надежды на то, что технологии термоядерного синтеза однажды заменят большинство реакторов деления, но это все еще область исследований ядерной физики .
Возобновляемая энергетика имеет много направлений.
Ветровые турбины преобразуют энергию ветра в электричество, соединяя вращающийся ротор с генератором. Ветровые турбины получают энергию из атмосферных потоков и спроектированы с использованием аэродинамики вместе со знаниями, взятыми из машиностроения и электротехники. Ветер проходит через аэродинамические лопасти ротора, создавая область более высокого давления и область более низкого давления по обе стороны лопасти. Силы подъема и сопротивления образуются из-за разницы в давлении воздуха. Подъемная сила сильнее силы сопротивления; поэтому ротор, который соединен с генератором, вращается. Затем энергия создается из-за изменения от аэродинамической силы к вращению генератора. [158]
Будучи признанным одним из самых эффективных возобновляемых источников энергии, энергия ветра становится все более и более актуальной и используемой в мире. [159] Энергия ветра не использует воду для производства энергии, что делает ее хорошим источником энергии для районов с недостаточным количеством воды. Энергия ветра также может производиться, даже если климат изменится в соответствии с текущими прогнозами, поскольку она полагается исключительно на ветер. [160]
Глубоко внутри Земли находится чрезвычайно теплопроизводящий слой расплавленной породы, называемый магмой. [161] Очень высокие температуры от магмы нагревают близлежащие грунтовые воды. Существуют различные технологии, которые были разработаны для того, чтобы извлечь выгоду из такого тепла, такие как использование различных типов электростанций (сухих, импульсных или бинарных), тепловых насосов или скважин. [162] Эти процессы использования тепла включают инфраструктуру, которая в той или иной форме имеет турбину, которая вращается либо горячей водой, либо паром, производимым ею. [163] Вращающаяся турбина, будучи подключенной к генератору, вырабатывает энергию. Более недавнее новшество включает использование неглубоких замкнутых систем, которые перекачивают тепло в и из структур, используя постоянную температуру почвы глубиной около 10 футов. [164]
Гидроэнергетика черпает механическую энергию из рек, океанских волн и приливов . Гражданское строительство используется для изучения и строительства плотин , туннелей , водных путей и управления прибрежными ресурсами посредством гидрологии и геологии . Низкоскоростная водяная турбина, вращаемая текущей водой, может приводить в действие электрический генератор для производства электроэнергии.
Биоэнергетика занимается сбором, переработкой и использованием биомассы, выращенной в биологическом производстве, сельском и лесном хозяйстве, из которой электростанции могут получать горючее топливо. Этанол , метанол (оба спорные) или водород для топливных элементов можно получить из этих технологий и использовать для выработки электроэнергии.
Тепловые насосы и хранение тепловой энергии — это классы технологий, которые могут позволить использовать возобновляемые источники энергии , которые в противном случае были бы недоступны из-за слишком низкой для использования температуры или временного интервала между тем, когда энергия доступна, и тем, когда она нужна. Повышая температуру доступной возобновляемой тепловой энергии, тепловые насосы обладают дополнительным свойством использования электрической энергии (или в некоторых случаях механической или тепловой энергии), используя ее для извлечения дополнительной энергии из источника низкого качества (такого как морская вода, озерная вода, земля, воздух или отходящее тепло от процесса).
Технологии хранения тепла позволяют хранить тепло или холод в течение периодов времени от нескольких часов или ночи до межсезонья и могут включать хранение ощутимой энергии (например, путем изменения температуры среды) или скрытой энергии (например, путем изменения фазы среды, например, между водой и слякотью или льдом). Краткосрочные тепловые накопители могут использоваться для сглаживания пиков в системах централизованного теплоснабжения или распределения электроэнергии. Виды возобновляемых или альтернативных источников энергии, которые могут быть задействованы, включают природную энергию (например, собранную с помощью солнечных тепловых коллекторов или сухих градирен, используемых для сбора зимнего холода), отработанную энергию (например, от оборудования HVAC, промышленных процессов или электростанций) или избыточную энергию (например, сезонно от гидроэнергетических проектов или периодически от ветровых электростанций). Показательным примером является Drake Landing Solar Community (Альберта, Канада). Хранение тепловой энергии в скважинах позволяет сообществу получать 97% своего круглогодичного тепла от солнечных коллекторов на крышах гаражей, которые большую часть тепла собирают летом. [165] [166] Типы хранилищ для разумной энергии включают изолированные резервуары, скважинные кластеры в субстратах от гравия до коренной породы, глубокие водоносные горизонты или неглубокие облицованные ямы, которые изолированы сверху. Некоторые типы хранилищ способны хранить тепло или холод между противоположными сезонами (особенно если они очень большие), а некоторые приложения для хранения требуют включения теплового насоса . Скрытое тепло обычно хранится в ледяных резервуарах или так называемых материалах с фазовым переходом (PCM).
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)Морской ядерный двигатель, Магди Рагеб. По состоянию на 2001 год было построено около 235 морских реакторовМЭА. CC BY 4.0.● Источник данных по 2016 год: «Обновление рынка возобновляемой энергии / Прогноз на 2021 и 2022 годы» (PDF) . IEA.org . Международное энергетическое агентство. Май 2021 г. стр. 8. Архивировано (PDF) из оригинала 25 марта 2023 г.
IEA. Лицензия: CC BY 4.0
{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)