Энергия солнца

По некоторым расчетам, количество солнечной энергии, достигающей поверхности земли каждые 72 часа эквивалентно всей энергии сосредоточенной в мировых запасах угля, нефти и природного газа. Двадцать лет назад, киловатт-час электричества, полученный за счет использования энергии Солнца, стоил $2.50. В настоящий момент его стоимость снизилась до 8- 23 центов.

На протяжении веков идея использования солнечной радиации для получения энергии не находила эффективного технологического решения. В 1767 году шведский ученый Хорас де Соссюр\Horace de Saussure построил первый термальный солнечный коллектор. Ученый использовал его для разогрева пищи и воды. В США в 1891 году было запатентовано первое устройство, использовавшее солнечные лучи для подогрева воды - предполагалось, что его использование будет коммерчески оправданным. Этот патент был приобретен двумя чиновниками из штата Калифорния, которые к 1897 году оснастили солнечными обогревателями воды треть домов в калифорнийском городе Пасадена.

На протяжении долгого времени успехи в использовании солнечной энергии игнорировались, поскольку уголь и нефть были дешевы, а пути их использования хорошо известны. Однако во времена энергетического кризиса 1970-х годов интерес к солнечной энергии возрос. В 1973-1974 году Министерство Энергетики США\US Department of Energy профинансировало установку и испытание 3 тыс. фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. В последующие годы производство такого рода оборудования финансировалось энергетическими компаниями и правительством, но эффективность использования солнечной энергии по-прежнему значительно отставало от традиционных технологий. Интерес к фотоэлектрическим преобразователям возрос в 1990-е годы после обострения ситуации в зоне Персидского залива.

Преимущество использования фотоэлектрических генераторов солнечной энергии в том, что это экологически чистая технология, что сами по себе генераторы нуждаются в минимуме обслуживания и не требуют особых эксплуатационных затрат. Они также не нуждаются в громоздких конструкциях, занимающих значительные территории, надежны в эксплуатации и не производят шумов. У солнечной энергетики однако есть ряд недостатков: солнечные панели сложно утилизировать, во многих регионах мира количество солнечных дней весьма ограничено, оборудование для преобразования солнечной радиации в электричество остается дорогим, подобные электростанции не работают ночью и в холод. Правда, новейшие разработки предлагают оборудование, использование которого окупает его стоимость за 2-5 лет эксплуатации, в зависимости от “солнечности” региона.

По данным Национальной Лаборатории по Возобновляемым Источникам Энергии\National Renewable Energy Laboratory, стоимость фотоэлектрических батарей в 2003 году в сравнении с предыдущим 2002 годом снизилась на 14%. Мировые продажи солнечных батарей, пригодных для установки на крыше дома, выросли на 44% в 2002 году. В Японии действует крупнейшая в мире программа по поддержке использования солнечной энергии - в 2000 году японцы увеличили производство подобной энергии до 128 мегаватт (в четыре раза). На Филиппинах "солнечное электричество" обеспечивает потребности в энергии 400 тыс. человек. В Швейцарии и Германии в середине 1990-х годов более 1 тыс. зданий были оборудованы солнечными панелями. Эти программы финансировались правительством.  В середине 1990-х годов топливные ячейки, которые трансформируют солнечные лучи в энергию солнца были установлены на 250 тысяче домов, расположенных, в большинстве своем, в отдаленных районах таких стран как Шри Ланка, Китай или Мексика. В Кении в 1993 году было больше домов оборудованных солнечными ячейками, чем домов, подключенных к централизованной системе снабжения электричеством. В Бразилии энергетические компании также в большей мере интересуются не традиционной централизованной системой обеспечения электричеством, а солнечной электрификацией, когда речь идет о глухих районах бассейна Амазонки. В ЮАР правительство инициировало крупные программы по обеспечению солнечной энергией миллионов людей.

В американском городе Сакраменто, штат Калифорния, на протяжении 1990-х годов муниципалитет ежегодно оснащал 100 домов солнечными электрическими панелями, которые были подключены к централизованной системе, так, что если в доме есть излишек электроэнергии, он может быть продан другим потребителям. Современное производство фотоэлектрических панелей может обеспечить США 15% объемов электроэнергии, которые, по прогнозам, будут потребляться страной в 2020 году.

Энергия ветра

С начала 1990-х годов в мире наиболее быстрыми темпами рос спрос на ветряную энергию. Ныне ветровая электроэнергия производится в 55-ти странах мира.

Так, если в 1990 году из ветра вырабатывалось 2 тыс. мегаватт электроэнергии, то в 1995 году -  4.5 тыс. мегаватт. За двадцать лет стоимость киловатт-час электричества, выработанного ветровой электростанцией снизилась с 40 до 5 центов за киловатт и вплотную приблизилась к стоимости электричества, добываемого за счет сжигания нефти, газа, угля и использования ядерной энергии (в США цены на нее составляют 2-3 цента за киловатт).

По данным Американской Ассоциации Энергии Ветра\American Wind Energy Association, cтоимость строительства ветровой электростанции уменьшилась до $1 млн. на 1 МВт - это примерно равно стоимости строительства АЭС. По эффективности вложений ветровые электростанции превосходят лишь газовые ($600 тыс. на 1МВт). Однако, в отличие от газа, энергия ветра бесплатна. Ее большим преимуществом перед ядерной энергетикой является то, что не существует проблемы хранения и переработки отработанного топлива.

Использование энергии ветра традиционно для человеческой цивилизации. Наиболее известной и широко распространенной технологией является ветряная мельница. В 16 столетии в Нидерландах, например, насчитывалось около 10 тыс. ветряных мельниц. В 20 веке только в западной части США насчитывалось более 6 млн. небольших мельниц. Первая большая ветряная мельница для производства электричества была сооружена в США в 1888 году.

В 1999 году мощности мирового производства электроэнергии из энергии ветра составляли около 16 млрд. киловатт\часов, этой энергии было бы достаточно для обеспечения электроэнергией города с двухмиллионным населением. По оценкам Американской Ассоциации Энергии Ветра\American Wind Energy Association, энергия ветра может обеспечить 20% потребностей США в электричестве. При этом ветровые турбины, трансформирующие ветер в электрическую энергию, будут занимать 1% всей территории страны. На этих участках лишь 5% территории будет занято непосредственно необходимым оборудованием, а 95% земель могут быть использованы для посевов аграрных культур и выпаса скота. Прогнозируется, что к 2010 году 10 млн. американских домов будут обеспечиваться “ветровой” электроэнергией. Это позволит снижать выбросы в атмосферу углекислого газа, выделяющегося при производстве электроэнергии из традиционных источников энергии на 100 млн. метрических тонн ежегодно.

Хотя энергия ветра имеет множество преимуществ - она доступна и с точки зрения технологического развития, и в смысле наличия ветряных ресурсов, она имеет также ряд недостатков. Слабым местом использования энергии ветра, как и при использовании солнечной энергии, является недостаточная “энергетическая плотность” этого природного ресурса - для производства необходимого количества тепла или электричества необходимо значительное число генераторов. Ветровые турбины не могу быть размещены повсеместно, поскольку не везде достаточно ветрено, а в тех местах, где ветра много, строительство и эксплуатация ветровых ферм могут оказаться неоправданно дорогостоящими ввиду удаленности от потребителя.

Однако по мнению сторонников использования энергии ветра, в недостаточно активном внедрении “ветровых технологий” больше сказывается консерватизм и инертность. Себестоимость “ветровой” электроэнергии снижается заметно быстрее чем себестоимость энергии, произведенной электростанцией, работающей на природном газе. Чем больше устанавливается ветровых турбин, тем более дешевой становится “ветровая” электроэнергия. Удвоение числа ветровых турбин в мире снизило себестоимость электричества на 15%. К позитивным аспектам использования энергии ветра относится и то, что она неисчерпаема, что развитие этой отрасли энергетики также создает рабочие места в отдаленных регионах. Этот источник энергии, также как энергия солнца, не может стать предметом международных споров, в отличие от нефтяных и газовых месторождений.

В 2002 году в США было произведено  4 685 МВт ветровой электроэнергии (примерно 1% от всего электричества, произведенного в США), что на 10% больше, чем в 2001 году. В свою очередь, в 2001 году ветровой электроэнергии было выработано на 40% больше, чем в 2000. В странах Европейского Союза в 2002 году производство ветровой электроэнергии выросло на 33% и достигло 23 056 МВт. Ныне более 70% ветровой электроэнергии, вырабатываемой в мире, производится в Европе. В свою очередь, европейским лидером стала Германия, которая за год увеличила производство ветровой энергии на 37%. Ныне ветер обеспечивает 4.7% потребностей Германии в электричестве. В Германии вырабатывается 6.1 тыс. мегаватт электроэнергии с помощью станций, использующих энергию ветра - это равноценно использованию 20 теплоэлектростанций, работающих на угле. Крупномасштабные программы реализуются в Аргентине, Чили, Испании, Китае, Дании. По данным компании BTM Consult, в 2000 году было выработано более 18 тыс. мегаватт ветряного электричества - прирост по сравнению с 1999 годом составил более 4 тыс. мегаватт. В 2002 году Дания получила 13% электроэнергии за счет ветровых электростанций и планирует к 2030 году довести долю ветряной энергии до 50%. 

По подсчетам Стэнфордского Университета\Stanford University, инвестиции в размере $338 млрд. позволят построить в США 225 тыс. ветровых турбин. Это даст возможность избавиться от примерно 60% теплоэлектростанций, что, в свою очередь, позволит резко уменьшить уровень выбросов углекислоты и других газов, которые вызывают парниковый эффект. Кроме того, заболевания, вызываемые угольной пылью, каждый год убивают 2 тыс. шахтеров. Однако, по оценкам Национальной Лаборатории Исследований Возобновляемых Источников Энергии\National Renewable Energy Laboratory, ветровая энергетика еще не может считаться достойным конкурентом традиционных атомных, гидро- и теплоэлектростанций. Среднестатистическая АЭС вырабатывает примерно 1.3 тыс. МВт электроэнергии - больше, чем четыре крупнейшие в мире ветровые электростанции.

Энергетическое Информационное Агентство США\Energy Information Agency предсказывает, что через четверть века производство ветровой электроэнергии в США возрастет на 300%, однако ветер обеспечит лишь 1% электроэнергии, необходимой США. Ныне в США существуют налоговые кредиты для компаний, создающих ветровые электростанции, однако они недостаточно большие.

Энергия воды

На сегодняшний день энергия падающей воды - самый популярный вид энергии, добываемой их возобновляемых источников. Она обеспечивает 17.5% потребностей человечества в электричестве. В США на долю гидроэлектростанций приходится 97.9% всей "чистой" энергии.

США находится на втором месте в мире по объемам электроэнергии, произведенной на гидроэлектростанциях (на первом месте - Канада, на третьем - бывший СССР). В 1999 году гидроэлектростанциями в США было произведено 389 млрд. киловатт\часов электроэнергии. Предполагается, что к 2020 году этот показатель снизится до 298 киловатт\часов. Это вызвано тем, что старые гидроэлектростанции вырабатывают свой ресурс, наиболее пригодные для строительства гидроэлектростанций места в стране уже используются, а новые крупные ГЭС сложно строить, поскольку против этого выступают экологи и общественность.

Ныне приблизительно 20% всей мировой электроэнергии генерируется гидроэлектростанциями. Некоторые страны практически полностью обеспечивают свои потребности в электричестве за счет гидроэнергетики: Швейцария - на 70%, Новая Зеландия - на 75%, Норвегия - на 99%. 97% всей мировой "чистой" электроэнергии производится гидроэлектростанциями. В США на долю гидроэнергетики приходится меньшая доля в совокупном объеме электроэнергии получаемой из возобновляемых источников - около 81%.

Человечество тысячелетия использовало энергию воды для строительства мельниц и обеспечения энергией мануфактур. В 1879 году в США была построена первая гидроэлектростанция, использующая энергия падающей воды Ниагарского водопада. На протяжении последних 100 лет США являлись мировым лидером по строительству дамб гидроэлектростанций. По оценке Министерства Внутренних Дел\Department of Interior со дня подписания Декларации о Независимости (1776 год) в США в среднем ежедневно строилось по одной дамбе. Сегодня в США насчитывается 75 тыс. дамб, из них менее 3% используется для производства 10-12% электроэнергии, потребляемой страной. США являются вторым после Канады производителем гидроэлектроэнергии. Дамбы, не используемые в энергетике служат целям ирригации земель и контроля за наводнениями. Многие эксперты считают, что эти дамбы возможно использовать и для получения электроэнергии.

В США процесс строительства и лицензирования гидроэлектростанции исключительно длительное, дорогостоящее и капризное дело. Зачастую полный проект создания гидроэлектростанции занимает 8-10 лет, причем большую часть времени занимает усложненная процедура лицензирования. Считается, что строительство плотин гидроэлектростанций оказывает негативный эффект на местные водные экосистемы.

Геотермальная энергия

Ныне на долю геотермальных электростанций приходится 1.6% "чистой" электроэнергии, производимой в США.

Повсеместно на планете на глубине 5-10 км под поверхностью земли протекают геотермальные воды, которые возможно использовать для получения энергии. Нагретые (иногда до температуры 6 тыс. градусов по шкале Цельсия) подземные воды выходят на поверхность земли в виде горячих источников или гейзеров, это тепло и может быть трансформировано в электрическую энергию или использоваться непосредственно для обогрева домов и теплиц. Энергия, полученная из геотермального источника сама по себе не может решить энергетическую проблему, но она позволит снизить зависимость от использования ископаемого топлива.

Первый опыт генерирования электричества из геотермальных источников имел место в Италии в 1904 году. Впоследствии, аналогичные электростанции были построены в Новой Зеландии, в Японии, на Филиппинах и в США, Рейкьявик, столица Исландии, отапливается геотермальными водами. В 1999 году в США электростанции, работающие на геотермальной энергии, позволили сэкономить 60 млн. баррелей нефти. В том же году из геотермальных источников было произведено 2200 мегаватт электроэнергии, т.е. приблизительно столько же, сколько могли произвести 4 крупные атомные электростанции. Среди возобновляемых источников энергии геотермальная энергия занимает третье место после таких источников, как гидроэнергия и энергия, выработанная из биомассы.

К достоинствам этого метода получения энергии относится ее дешевизна и экологическая чистота. К недостаткам - невозможность строительства геотермальных станций в большинстве регионов планеты. Кроме того, есть пример того, когда построенная электростанция годами простаивала без дела, поскольку источник горячих вод неожиданно иссяк.

Энергия биомассы

Сжигание биомассы обеспечивает 0.5% всей "чистой" электроэнергии, производимой в США.

Биомасса - возобновляемый источник энергии производимый из органических материалов: отходов древесины, сельского хозяйства и мусора. Эти материалы могут непосредственно сжигаться, например, для разогрева воды, или преобразовываться в газ для последующего сжигания.

При снижении затрат на производство и улучшении технологии выработки биомассы к 2020 году США могут получать из этого источника в 4.5 раза больше энергии, чем сейчас. Прогнозируется, что к 2020 году использование биомассы для получения энергии возрастет более, чем использование других видов энергии, получаемых из возобновляемых источников. Ожидается, что рост составит 80%, из биомассы будет добываться 65.7 млрд. киловатт\часов.

К достоинствам этого способа получения энергии относится его дешевизна. Кроме того, сжигание мусора позволяет беречь окружающую среду. Однако процесс сжигания негативно влияет на состояние атмосферы (хотя Киотский Протокол одобряет использование такого рода электростанций). Кроме того, обеспечение топливом подобных электростанций является достаточно трудной задачей. По данным World Energy Council, в мире произведено крайне мало научных исследований об эффективности использования биомассы в энергетике.

Приливная энергия

Океаны занимают большую часть поверхности Земли - следовательно строительство электростанций, использующих в качестве "топлива" энергию приливов потенциально является весьма перспективной задачей. Первые приливные электростанции были построены в начале 1960-х годов во Франции и СССР. Наиболее крупные проекты такого рода были реализованы в Великобритании, Канаде и Австралии.

По оценкам экспертов экологической организации Greenpeace, ресурсы приливной энергии в мире таковы, что их использование позволит получить такое количество энергии, которое в 5 тыс. раз превышает современные потребности человечества в электричестве.  

По данным World Energy Council, ныне невозможно говорить об экономических перспективах использования, потенциально, бесплатной, энергии морских волн. Причиной является отсутствие внушающей доверие информации о результатах эксплуатации немногих ныне действующих приливных электростанций. Кроме того, приливные станции  наиболее выгодно строить на участках побережья, где наблюдаются наиболее высокие волны - это, в свою очередь, делает маловероятным, строительство в этом районе крупных предприятий, заинтересованных в  дешевом электричестве.

Washington ProFile