Способы получения электроэнергии: где мир берет силы для развития

С каждым годом мировое потребление электричества растет, поэтому приходится задействовать все доступные способы его выработки. Разбираемся, какие технологии получения электроэнергии существуют и как они влияют на окружающую среду.

Тепловые электростанции как источник энергии

В 2021 году с помощью тепловых электростанций (ТЭС) получено 62% мировой электроэнергии. Они работают на органическом топливе — природном газе, угле, мазуте, торфе, горючих сланцах. Нагретая в котле вода превращается в пар, который подается в паровую турбину. В результате ее вращения механическая энергия преобразуется в электрический ток.

Преимущество ТЭС — сравнительно небольшие затраты на строительство и обслуживание. Но при производстве электроэнергии в атмосферу попадают большие объемы CO₂ и других парниковых газов, вызывающих изменения климата, и вредные вещества, такие как оксид углерода, оксид серы, зола, сернистый газ. Они приводят к увеличению риска развития различных заболеваний.

Опасения вызывают и стремительно уменьшающиеся запасы природных ресурсов. По оценкам Минприроды, запасы нефти в России будут исчерпаны через 16-17 лет, а природного газа — через 20. Мировые залежи нефти закончатся позже — примерно через 50 лет.

С учетом вышесказанного многие государства начали активный переход на более безопасную для природы возобновляемую энергию — солнца, ветра и т. д. По-прежнему востребованы атомная и гидроэнергетика. Обеспечение всеобщего доступа к экологически чистым источникам энергии является одной из Целей устойчивого развития (ЦУР) Организации объединенных наций (ООН).

Перспективность гидроэлектростанций

Около 84% энергии, генерируемой на базе возобновляемых источников, вырабатывают гидроэлектростанции (ГЭС). Это одна шестая всей электроэнергии планеты. Большая часть мировой гидроэлектроэнергии производится в Бразилии, США, КНР, Канаде, России. По оценкам Международного энергетического агентства, в дальнейшем 80% ГЭС будут строиться в развивающихся странах с большим гидропотенциалом.

При работе гидроэлектростанций используется кинетическая энергия потока воды, приводящая в движение турбину. Для создания напора применяются плотины, специальные отводы, расположенные под наклоном (для горных рек), или аккумуляторные насосы, перекачивающие воду из одного резервуара в другой.

Гидроэнергетика использует возобновляемый ресурс и не дает вредных выбросов. Кроме того, мощность этого источника электроэнергии легко отрегулировать путем изменения интенсивности потока воды. С учетом этих преимуществ именно гидроэнергетику рассматривают как наиболее перспективную замену ТЭС.

Но строительство крупных ГЭС также оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Так, из-за Иркутской ГЭС уровень воды в озере Байкал повысился на один метр, что вызвало оползни и разрушение берегов. Кроме того, строительство гидроэлектростанций приводит к ухудшению условий обитания растений и животных, в том числе к снижению концентрации кислорода в воде, нарушению путей миграции рыб.

Природоохранные организации предлагают ограничиться строительством малых и средних ГЭС. Эффективность этого решения уже подтверждена мировым опытом. Так, в Китае работает более 90 тыс. малых ГЭС. Они обеспечивают 30% электроэнергии, потребляемой сельскими регионами.

Солнце как самый мощный источник получения электроэнергии

Согласно данным Европейской ассоциации солнечной энергетики SolarPower Europe, солнечные электростанции (СЭС) обеспечивают выработку 2,6% мировой электроэнергии. В то же время эта отрасль лидирует по объемам инвестиций. Эксперты Института энергетики НИУ ВШЭ отмечают, что в 2019 году прирост мощностей СЭС в 2,5 раза превысил введенные мощности угольных и газовых станций.

СЭС отражают лучи солнца с помощью зеркал, концентрируя их на приемнике, наполненном маслом или водой. Пар, выделяемый при нагреве жидкости, приводит в действие электрогенератор.

Солнечная энергетика обладает огромным потенциалом. Каждый квадратный метр космического пространства содержит около 1,3 тыс. Вт энергии солнца. Две трети этого количества преодолевают атмосферу и достигают поверхности нашей планеты. Ученые подсчитали, что за 18 ясных дней на Землю поступает столько энергии, сколько содержится во всех запасах нефти, угля и природного газа.

Мировыми лидерами по мощностям солнечной энергетики являются Китай, Германия, Япония и США. В нашей стране эта отрасль тоже развивается: уже построено около 80 крупных СЭС общей мощностью более 1,8 ГВт. Кроме того, государство поддерживает микрогенерацию — каждый человек может установить солнечный модуль, например за окном или на крыше, чтобы генерировать электроэнергию и продавать ее ресурсоснабжающим компаниям.

Средний срок службы солнечных батарей — 25-30 лет. Все это время обеспечиваются получение и передача электроэнергии потребителям без дополнительных затрат на обслуживание. Достаточно смывать с модулей пыль 3-4 раза в год. Передача электроэнергии осуществляется по электрическим сетям.

Ветер энергоперемен

Ветроэнергетика развивается быстрее, чем другие технологии ВИЭ. В 2020 году ее мощности увеличились на 95,3 ГВт, в 2021-м — на 93,6 ГВт. Общая мощность ветрогенераторов в мире равна 837 ГВт. К началу 2021 года на ВЭС приходилось 0,13% генерации в России.

Ветроэнергетика не загрязняет атмосферу, но шум и вибрации, создаваемые генераторами, отпугивают животных, обитающих поблизости. Также существует опасность гибели птиц, пролетающих рядом с лопастями. Но действие этих факторов не настолько велико, чтобы всерьез задуматься об отказе от энергии ветра. Так, по данным Европейской ассоциации ветряной энергетики (EWEA), от столкновения с ВЭС гибнет в 3,5 тысячи раз меньше птиц, чем от когтей и зубов кошек. Кроме того, в США создали систему, выключающую генератор при приближении охраняемых пернатых.

Несмотря на активное развитие сектора ВЭС, динамика его роста по-прежнему недостаточна для того, чтобы достичь углеродной нейтральности к 2050 году. По оценкам специалистов из Глобального совета по ветроэнергетике (GWEC), необходимо ежегодно строить в четыре раза больше турбин.

Тепловая энергия океана

Воды Мирового океана занимают около 70% поверхности планеты и накапливают большое количество тепловой энергии cолнца. Эту энергию преобразуют в электричество с помощью специального оборудования. Для его эффективной работы необходима разница температур между поверхностным и глубоким слоями воды не менее 20 °C.

Существует три вида океанических теплоэлектростанций (ОТЭС):

Описанный выше порядок получения электроэнергии при помощи ОТЭС подходит только для тропических регионов. Но планируется построить подобные станции и в Арктике, где они будут работать за счет разницы температур подледного слоя воды и воздуха, превышающей 26 °C.

Увеличение объемов использования тепловой энергии океана включено в национальные программы Индии, США, Швеции, Франции, Японии. Так, президент Франции поставил задачу: к 2030 году полностью перевести остров Реюньон на энергию ОТЭС.

Атомная энергетика

В мире функционирует более 400 ядерных реакторов, и еще 475 планируется построить. 98% атомных электростанций (АЭС) сконцентрировано в Европе, Северной Америке и Азиатско-Тихоокеанском регионе. В России АЭС вырабатывают 20% всей электроэнергии страны. Сейчас госкорпорация «Росатом» строит три новых энергоблока, в том числе инновационный реактор БРЕСТ-ОД-300 с замкнутым топливным циклом. Облученное топливо будет перерабатываться и использоваться повторно, благодаря чему система станет практически безотходной.

В недавнем заявлении Еврокомиссии говорится, что ядерная энергетика поможет увеличить долю использования возобновляемых источников энергии и перейти к климатической нейтральности, то есть минимизировать влияние электростанций на климат. Этот способ получения электричества имеет еще одно достоинство: энергоемкость ядерного топлива в 10⁴ раз больше нефти.

Климатолог Джеймс Хансен отметил, что переход на атомную энергетику может спасти 7 млн жизней в год. Именно столько людей умирает от загрязнения воздуха, вызванного выбросами теплоэлектростанций.

У развития атомной энергетики есть одно препятствие — негативные ассоциации, связанные с катастрофами в Чернобыле и Фукусиме. Но надежность современных ядерных реакторов не оставляет поводов для опасений: согласно исследованию медицинского журнала Lancet, атомная энергия по безопасности превосходит даже солнечные панели.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен.