40% электроэнергии в Германии поступает из возобновляемых источников. Германия является лидером по количеству ветряных турбин, которые вырабатывают 20,4% электроэнергии. Остальная часть приходится на гидроэнергетику, биоэнергетику и солнечную энергию. Правительство Германии поставило цель к 2050 году производить 80% энергии из альтернативных источников, но пока не хочет закрывать атомные электростанции.
Альтернативные источники энергии: виды и применение
На протяжении всей цивилизации велась борьба за поиск новых, более эффективных форм энергии. За тысячи лет мы прошли путь от овладения огнем до использования управляемых ядерных реакций на атомных электростанциях. Поэтому в истории человечества принято выделять несколько энергетических революций, в ходе которых происходил переход от одного доминирующего первичного источника энергии к другому. Результаты этих изменений повлияли не только на энергетику и экономику, но и изменили социальный и культурный облик цивилизации.
Сегодня мировая энергетика находится на перепутье. По мере роста населения планеты экономика требует все больше энергии, а ископаемые виды топлива, на которых основана традиционная энергетика, не безграничны. Рост стоимости ископаемого топлива усугубляется тем, что колоссальное потребление углеводородов наносит огромный ущерб окружающей среде, что сказывается на качестве жизни людей. Это означает, что спрос на энергию, а значит и на новые способы ее получения, в будущем будет только расти. На смену эре углеводородов (нефти и газа) придет эра альтернативной, экологически чистой энергии.
Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода на АЭЭ:
Глобальные и экологические: Вредное воздействие традиционных энергетических технологий (включая ядерные и термоядерные) на окружающую среду сегодня хорошо известно и доказано, и их использование неизбежно приведет к катастрофическому изменению климата уже в первые десятилетия 21 века.
Политическая: Первая страна, которая полностью освоит альтернативные источники энергии, сможет претендовать на мировое лидерство и диктовать цены на топливные ресурсы.
Экономические: Переход на технологии альтернативной энергетики позволит сэкономить отечественные топливные ресурсы, которые могут быть использованы в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сейчас ниже стоимости энергии из традиционных источников, а срок окупаемости строительства альтернативных электростанций гораздо короче. Цены на альтернативную энергию падают, в то время как цены на традиционную энергию растут.
Солнечная энергия
Все типы солнечных тепловых систем используют солнечное излучение в качестве альтернативного источника энергии. Солнечное излучение может использоваться как для отопления, так и для выработки электроэнергии.
Существуют различные способы преобразования солнечного излучения в тепло и электричество и, соответственно, различные типы солнечных электростанций. Наиболее распространенными являются электростанции, использующие фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), объединенные в солнечные панели.
Солнечные электростанции активно используются более чем в 80 странах мира. Большинство крупнейших в мире фотоэлектрических установок находятся в США.
Преимущества Солнечная энергия – это возобновляемый, бесшумный источник энергии, без вредных выбросов в атмосферу при преобразовании солнечного излучения в другие виды энергии.
К недостаткам относятся Кроме того, еще одной серьезной экологической проблемой является использование токсичных и ядовитых веществ при производстве фотоэлементов для солнечных систем, что создает проблему с их утилизацией. Еще одной серьезной экологической проблемой является использование токсичных веществ при производстве фотоэлектрических элементов для солнечных систем, что создает проблему с их утилизацией.
Альтернативные формы энергии
Один из самых мощных альтернативных видов энергии. Чаще всего она преобразуется в электричество с помощью солнечных батарей. Солнце посылает на Землю достаточно энергии для целого года. Однако солнечные электростанции производят не более 2% от общего годового производства энергии.
Основными недостатками являются зависимость от погоды и времени суток. Сбор солнечной энергии нерентабелен для северных стран. Конструкции дороги, за ними нужно "ухаживать", а сами фотоэлементы, содержащие ядовитые вещества (свинец, галлий, мышьяк), необходимо своевременно утилизировать. Для достижения высокой эффективности требуются большие площади.
Солнечная энергия широко распространена там, где она дешевле обычной электроэнергии: на отдаленных населенных островах и сельскохозяйственных территориях, в космосе и на морских станциях. В теплых странах с высокими тарифами на электроэнергию она может покрыть потребности обычного дома. В Израиле, например, 80% воды нагревается за счет солнечной энергии.
Батареи также устанавливаются в беспилотных автомобилях, самолетах, дирижаблях и поездах Hyperloop.
Энергия ветра
Запасы энергии ветра в 100 раз больше, чем у всех рек на планете. Ветряные электростанции помогают преобразовывать ветер в электричество, тепло и механическую энергию. Основными устройствами являются ветряные турбины (для выработки электроэнергии) и ветряные мельницы (для выработки механической энергии).
Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит – особенно в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. В начале 2016 года мощность всех ветряных турбин превысила общую установленную мощность атомных электростанций.
Недостатком является то, что ее нельзя контролировать (сила ветра переменна). Ветряки также могут создавать радиопомехи и влиять на климат, поскольку они забирают часть кинетической энергии ветра – хотя ученые пока не знают, хорошо это или плохо.
Беспроводное питание для миллионов устройств IoT
IoT-устройства, маленькие и незаметные, стали привычной частью нашей жизни. Умные часы, фитнес-трекеры, мониторы сердечного ритма, интеллектуальные системы безопасности дома и другие гаджеты обеспечивают удобство, от которого трудно отказаться. Однако у всех этих устройств есть один недостаток – для их работы необходимо питание. До сих пор существовало два варианта его получения – по проводам от электрической розетки или от аккумулятора, внешнего или встроенного в гаджет.
Группа исследователей из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии работает над этой проблемой, и в своем последнем исследовании они предлагают интересное решение. Беспроводное питание для массивов IoT.
Авторы исследования считают, что беспроводное питание для IoT-устройств было бы идеальным решением проблемы питания от встроенных батарей. Для этого они предлагают сосредоточиться на новых технологиях – фотоэлектрических элементах (ФЭ), используемых в солнечных панелях, электронике большой площади (LAE) и радиочастотных (RF) сборщиках энергии.
Электроника большой площади (LAE) – это новая технология производства электроники, которая включает в себя крупномасштабную печать или литографию. Этот процесс используется для создания плоскопанельных дисплеев и солнечных батарей. С его помощью можно создавать системы с площадью поверхности в несколько квадратных метров и гибкостью бумаги или пластика.
В течение последнего десятилетия команды по всему миру работали над системами LAE. Это привело к созданию многих инновационных устройств, таких как гибкая и отзывчивая искусственная кожа для роботов.
Твистроны заряжают суперконденсаторы
Вырабатывать электричество можно не только из разницы температур, но и из энергии движения. Именно это делают новые волокна из углеродных нанотрубок, разработанные в Техасском университете в Далласе.
Они опубликовали результаты своих исследований опубликованные в журнале Nature Energy. Они назвали свои высокотехнологичные волокна твистронами. Твистроны вырабатывают электроэнергию путем растяжения или скручивания, причем КПД при растяжении составляет 17,4 процента, а при скручивании – 22,4 процента.
Когда дело доходит до сбора энергии от движений с частотой выше 2 герц, средняя и пиковая мощность новых твистронов значительно выше, чем у любого другого известного материала. Они также демонстрируют более высокую мощность в более широком диапазоне частот, чем любой другой известный материал.
Экспериментальная установка показала, что массив твистронов весом всего 3,2 миллиграмма может заряжать суперконденсатор, который в свою очередь может питать пять маленьких светодиодов, электронные часы или цифровой датчик влажности и температуры с 2,8-дюймовым жидкокристаллическим дисплеем.
В одном из экспериментов ученые вшили твистрон в кусок хлопчатобумажной ткани, который затем обернули вокруг локтя человека, где он мог генерировать электричество при сгибании руки, для потенциального применения в зондировании и сборе энергии.
Исследователи также изучили возможность выработки электроэнергии из океанских волн, прикрепив твистрон между воздушным шаром и дном аквариума, наполненного соленой водой. Они обнаружили, что в сценариях, имитирующих нормальные волны или турбулентную воду, он может генерировать в среднем от 15 до 17 ватт на килограмм.
Ядерная энергия в отступлении
В 1950-х годах советские и британские ученые выдвинули идею использовать ядерный синтез вместо ядерного деления (как на атомных электростанциях). Ядерное деление – тяжелые элементы делятся, выделяя энергию, и ядерный синтез – легкие элементы "сплавляются" с образованием более тяжелых элементов, выделяя энергию.
При слиянии дейтерия (изотопа водорода с одним нейтроном) и трития (также изотопа водорода с двумя нейтронами) образуются гелий и нейтрон. Такая реакция дает значительный выход энергии (17,6 МэВ). Для сравнения, если взять смесь дейтерия-трития и урана той же массы, то термоядерный синтез дал бы в 3 раза больше энергии.
Однако есть и незначительные недостатки: тритий не встречается в природе, нежелательное излучение "индуцированное" излучение часто бывает опасным.
Можно подумать, что в термоядерной энергии все замечательно: отходов немного, ее можно разместить где угодно и она производит огромную энергию на единицу массы, но что-то мешает ее использовать.
Чтобы произошел ядерный синтез, положительно заряженные атомные ядра должны преодолеть кулоновский барьер – силу электростатического отталкивания между ними. Это означает, что расстояние между ядрами должно быть таким, чтобы сильное взаимодействие начало перевешивать кулоновские силы (порядка одной стомиллиардной доли сантиметра).
Рисунок 7: Зависимость сил притяжения/отталкивания от расстояния между ядрами. На расстояниях порядка размеров ядер силы сильного ядерного взаимодействия начинают перевешивать кулоновские силы, и ядра сливаются.
Это требует огромного количества энергии. Есть два варианта, как это реализовать: либо сильно сжимать, либо сильно нагревать.
Внутри Солнца работает первый вариант: температура внутри ядра составляет 15-16 миллионов Кельвинов, что, вообще говоря, немного, но из-за массы, которая в 300 000 раз больше массы Земли, плазма поддерживается под высоким давлением за счет гравитации.
Энергия будущего
Человечество достигло больших успехов в освоении энергии. Сначала мы научились добывать огонь, затем – использовать уголь и нефть. Сегодня мы знаем, как расщеплять атомы, и, возможно, скоро научимся их синтезировать. Каждый такой шаг связан с промышленной революцией, характеризующейся беспрецедентными масштабами добычи энергии.
Если задуматься, то логичным шагом в будущем развитии человечества было бы освоение новых территорий и ресурсов не на нашей планете, а в космосе (если человечество не уничтожит себя первым). Для этого потребуется невообразимое количество энергии. К счастью, ответ на вопрос "откуда берется столько энергии?" находится прямо у нас над головой (Солнце). Как мы уже говорили выше, человечество еще только на пути к созданию собственного солнца на Земле.
Если мы хотим овладеть методом сбора солнечной энергии, нам придется построить очень большое сооружение. Например, сфера Дайсона была бы хорошим решением. Она охватывает звезду и "захватывает" ее энергию.
Существует множество способов ее создания, один из которых – "рой сфер", который будет окружать солнце, собирать энергию и отправлять ее в другое место. Такой способ дал бы людям неограниченный доступ к энергии. Но построить его непросто, есть 3 основные проблемы: материал, дизайн и затраты на энергию. Давайте кратко обсудим каждую из этих проблем.
Строительство сферы Дайсона потребует столько материала, что для ее демонтажа понадобится целая планета или больше. Лучшим кандидатом на эту роль является Меркурий, поскольку он ближе всего к Солнцу и богат металлами.
Чем проще и надежнее конструкция, тем лучше. Солнечные батареи – не совсем то, что вам нужно (короткий срок службы, высокая стоимость и необходимость ремонта). Самые простые и надежные – это гигантские зеркала, отражающие солнечный свет на центральную станцию.