Возобновляемые источники энергии
Согласно определению Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) [6], возобновляемая энергия — это энергия, полученная из возобновляемых источников, которыми являются: 1) биоэнергия, 2) геотермальная энергия, 3) гидроэнергия, 4) энергия океана, 5) солнечная энергия, 6) энергия ветра.
Биоэнергия подразумевает получение электрической или тепловой энергии из биотоплива. Способы получения энергии из биотоплива можно разделить на два вида — традиционный и современный [7].
Под традиционным способом понимается сжигание древесины, отходов животноводства и древесного угля, в то время как современный способ включает в себя более технологичные способы получения энергии: производство жидкого биотоплива путём переработки растений, а также биогаза с помощью анаэробного брожения отходов животноводства, которые в дальнейшем могут использоваться в качестве топлива для автомобилей и электростанций или для получения тепловой энергии от сгорания биомассы.
Главным преимуществом данного источника энергии является его гибкость — биотопливо можно использовать как для заправки транспорта, так и для выработки энергии на электростанциях. Однако активное применение биомассы может привести к росту цен на продукцию сельского хозяйства, поскольку часть сельскохозяйственных угодий будет использоваться для производства биомассы.
В биоэнергетике для выработки электрической и тепловой энергии также могут применяться древесные пеллеты, производимые путём компрессии торфа, древесных отходов и отходов сельского хозяйства в гранулы, которые затем сжигаются в генераторе.
Благодаря улучшению технологий и развитию производства, в среднем по миру нормированная стоимость электроэнергии (LCOE, показатель, используемый международными агентствами для сравнения цен на электричество в различных странах; ниже приводится метод расчёта LCOE) в период с 2014 по 2018 годы снизилась на 24 % и составила 0,061 USD/кВт ч [8].
Геотермальная энергия — это тепловая энергия из недр Земли, которая доставляется к поверхности вместе с водой или паром [9, 10]. Данный вид энергии может применяться для обогрева или охлаждения помещений, а также для выработки электроэнергии.
Обогрев и охлаждение помещений происходят за счёт постоянства температуры в поверхностных слоях земной коры. Тепловая энергия с глубины ниже уровня промерзания (от трёх метров), где температура зимой выше, чем на поверхности, с помощью тепловых насосов доставляется в здание для обогрева помещений. Летом избыточное тепло из зданий отводится под землю, где в это время сохраняется относительно низкая температура.
Обогрев может осуществляться также и за счёт тепла подземных вод — в таком случае вода или пар поступают напрямую в отопительные системы. Данный метод применяется не только для отопления зданий, но и для поддержания высокой температуры в теплицах или растапливания снега на дорогах.
Геотермальные станции, с помощью которых вырабатывается электроэнергия, делятся на три вида [11]:
1. Работающие на «сухом пару». На таких электростанциях используется гидротермальный пар, который поступает из скважины напрямую в турбину, питающую генератор. Является старейшим типом геотермальных станций.
2. Работающие за счёт испарения жидкостей. На станциях этого вида гидротермальные жидкости при температуре выше 182 °С из скважины под высоким давлением закачиваются в ёмкость, где, в связи с разницей давления в жидкости и на поверхности Земли, вода стремительно испаряется. Пар попадает в генератор, где заставляет ротор турбины вращаться, благодаря чему вырабатывается электроэнергия. На данный момент этот тип электростанций является наиболее распространённым.
3. Геотермальные станции бинарного цикла. Данные станции применяются в геотермальных районах, где температура гидротермальных жидкостей составляет менее 200 °С. Основное отличие данного вида электростанций заключается в том, что жидкость из геотермального источника не попадает непосредственно в генератор — она лишь передаёт через теплообменник свою энергию второй жидкости, имеющей точку кипения ниже, чем температура воды из скважины. В таких условиях вторая жидкость начинает испаряться, тем самым приводя в движение турбину генератора. Благодаря распространённости геотермальных районов с необходимым уровнем температуры жидкости, в будущем этот относительно новый тип геотермальных станций может стать самым популярным.
Главным преимуществом геотермальной энергии по отношению к остальным ВИЭ является высокий потенциальный уровень выработки электричества, а также стабильность генерации. Однако размещать геотермальные электростанции можно не везде — лишь вблизи тектонически активных разломов. В период с 2014 по 2018 годы нормированная стоимость геотермальной энергетики, в отличие от биоэнергетики, росла — она увеличилась на 16 %, составив 0,072 USD/кВт⋅ч , что связано с распространением данного вида энергии в регионах, где генерация геотермальными станциями энергии не столь эффективна.
Гидроэнергия — это энергия, производимая потоком воды [12]. Гидроэлектростанции (ГЭС) можно разделить на 3 вида [13]:
1. Плотинные. Данные электростанции используют дамбы для сохранения воды в водохранилище, из которого она, проходя под большим давлением через специальные туннели в плотине, попадает в турбину. При этом напор воды может быть повышен для удовлетворения повышенного спроса на электроэнергию или же, напротив, снижен для восстановления уровня воды в хранилище. Данный вид электростанций распространён наиболее широко, поскольку позволяет производить огромное количество дешевой электроэнергии без выброса СО2 в атмосферу, однако у него есть и недостатки [14]: возможность строительства лишь на крупных реках; затопление земель во время создания водохранилища; выселение жителей затапливаемых территорий из их домов; нанесение ущерба естественной среде обитания животных и растений; возможность потери источника энергии во время засухи; загрязнение атмосферы метаном в связи с разложением органического материала в водохранилище.
2. Деривационные. Таким гидроэлектростанциям не всегда нужна плотина: в случае, если река имеет значительный уклон, вода отводится из русла реки с помощью специальных каналов, после чего попадает в турбину, а затем попадает обратно в речное русло. В связи с тем, что не использующие дамб деривационные ГЭС не имеют ни водохранилищ, ни дамб, они лишены недостатков крупных плотинных ГЭС и считаются более экологические чистыми. Однако их мощности может хватить для обеспечения электроэнергией лишь небольшого числа домохозяйств.
В случае, если русло не имеет достаточного уклона, используются плотины, которые искусственно создают перепад высот между участками реки. В остальном же технология выработки энергии неизменна.
3. Гидроаккумулирующие. Такие ГЭС используются не столько для выработки электроэнергии, сколько для её накопления и хранения. С помощью насосов и избыточной электроэнергии, вырабатываемой другими электростанции, вода перекачивается из одного хранилища в другое, увеличивая перепад в их уровнях воды. Во время повышенного спроса на электроэнергию, когда мощности остальных электростанций не хватает, данная станция начинает работать как обычная ГЭС — вода из хранилища с бо́льшим запасом воды поступает в хранилище с меньшим, тем самым обеспечивая вращение турбины и выработку электроэнергии.
Средняя мировая стоимость электроэнергии, получаемой от ГЭС, имеет неоднозначную динамику: в период с 2014 по 2017 она увеличилась на 43 %, а в 2018 уменьшилась на 12 %, составив 0,048 USD/кВт·ч. Это явление связано с тем, что стоимость гидроэнергии сильно зависит от строительства полномасштабных и мини-ГЭС: с 2014 по 2017 росло количество менее эффективных мини-ГЭС, в то время как в 2018 был завершён ряд крупных проектов.
Энергия океана может использоваться для выработки электричества 4 различными способами [15]:
1. С помощью волн [16]. Конвертеры, представляющие из себя поплавки, соединённые штангой с генератором на берегу, преобразуют вертикальное движение волн во вращательное, благодаря чему вращается турбина генератора, в свою очередь преобразующая кинетическую энергию в электрическую.
2. С помощью приливов [17]. Приливные электростанции (ПЭС) во многом схожи с плотинными ГЭС: энергия вырабатывается за счёт водного потока, взаимодействующего с турбинами станции. Принципиальное отличие между ними заключается в том, что ПЭС размещаются в устье реки, впадающей в море, или в заливе, и напор воды обеспечивается за счёт приливов: дважды в сутки вследствие воздействия гравитационных сил Луны образуется перепад между уровнями воды с разных сторон дамбы, поток устремляется в одном из направлений через туннели в дамбе, где расположены турбины, и таким образом вырабатывается электроэнергия. Также ПЭС может быть оборудована насосами и работать как гидроаккумулирующая ГЭС, когда остальные электростанции вырабатывают избыточную энергию. Запасы потенциальной энергии воды позволяют получать электроэнергию в моменты повышенного спроса. Тем не менее у ПЭС есть серьёзный недостаток — значительные колебания количества получаемой энергии в течение суток.
3. С помощью энергии градиента солёности [18]. При данном способе энергия вырабатывается за счёт разницы уровней концентрации соли в двух жидкостях. Обычно для этого используются пресная вода из реки и солёная из моря, в которое она впадает. Существует две технологии, позволяющие извлечь электроэнергию из взаимодействия указанных жидкостей. Первый метод основан на явлении осмоса: пресная вода переходит через мембрану, не пропускающую соль, в отделение с морской водой, в котором концентрация соли значительно выше. В связи с тем, что соль не может преодолеть мембрану, выравнивание концентрации осуществляется путём увеличения объёма воды во втором отделении, вследствие чего в нём увеличивается давление, за счёт которого приводится в действие турбина и вырабатывается электроэнергия. Во втором способе используются чередующиеся мембраны, через которые осуществляется обмен катионов или анионов между солёной и пресной водой, пропущенной через отсеки между мембранами. Разница между химическими потенциалами жидкостей создаёт электрическую энергию.
4. За счёт энергии температурного градиента [19]. Данная технология использует разницу температур между тёплой водой на поверхности и холодной, находящейся на глубине 800-1000 метров: тёплая вода используется для создания пара, приводящего в движение турбины, а с помощью холодной осуществляется конденсация данного пара и обеспечивается разница давлений в отсеках до и после турбины.
Несмотря на обилие способов генерации электричества из энергии океана, ни один из них пока ещё не коммерциализирован, в связи с чем данный вид генерации не популярен и не имеет определённого уровня нормированной стоимости электроэнергии.
Солнечная энергия — это энергия, получаемая напрямую от Солнца [20]. Она может использоваться как в тепловом, так и в электрическом виде. Электроэнергию из солнечной энергии получают с помощью двух основных видов генераторов:
1. Фотоэлектрических или также известных как «солнечные батареи» [21]. Данные установки могут трансформировать солнечную энергию напрямую в электрическую с помощью явления внутреннего фотоэффекта. Солнечные батареи способны произвести революцию в энергетической индустрии: во время работы они не загрязняют окружающую среду; не потребляют воду в процессе генерации электричества; практически не имеют операционных издержек; могут быть быстро размещены на любой свободной площади. Однако у них есть и свои ограничения: выработка энергии сильно зависит от климата региона, погоды и времени года; ночью производство электричества останавливается; мощные солнечные электростанции (СЭС) занимают значительную площадь, в связи с чем в странах с высокой стоимостью земли себестоимость генерации энергии подобными электростанциями значительно выше, чем в других. Данная технология стремительно развивается — каждый год показатель LCOE для него снижается, и в период с 2014 по 2018 годы он уменьшился практически в два раза, составив 0,085 USD/кВт·ч.
2. Установки концентрированной солнечной энергии [22]. В данных генераторах используется система зеркал, с помощью которых свет концентрируется на хранилище с жидкостью. Далее под воздействием тепла начинается процесс парообразования, с помощью которого приводятся в движение турбины и вырабатывается электроэнергия. У данной технологии есть как преимущества, так и недостатки: с одной стороны, данный метод позволяет вырабатывать электричество даже в плохую погоду или после заката, поскольку тепло может запасаться в тепловых аккумуляторах. С другой стороны, такой метод генерации энергии целесообразен лишь вблизи экватора. Более того, стоимость генерации электроэнергии такими установками на 2018 год оказалась значительно выше, чем фотоэлектрическими. Хоть с 2014 стоимость и упала на 25 %, её величина составила 0,186 USD/кВт·ч.
Энергия ветра — это энергия, которая является следствием солнечной активности. В прошлом энергия ветра использовалась в ветряных мельницах для помола муки, однако сейчас она может быть трансформирована в электрическую с помощью ветряных электростанций (ВЭС). Ветряные установки могут иметь горизонтальную ось вращения или вертикальную, быть расположены на суше или в море, однако базовый принцип производства энергии ВЭС довольно прост: ветер вращает лопасти ветряного генератора, которые передают вращательную энергию на ротор, с помощью которого вырабатывается электроэнергия.
Морская ветроэнергетика пока ещё находится на ранней стадии развития — стоимость генерации энергии морскими ВЭС значительно выше, чем наземными, и составляет 0,126 и 0,055 USD/кВт ч соответственно. Это связано с тем, что стоимость строительства морских ветряных электростанций значительно выше, чем наземных, при том, что выработка энергии ими не намного больше. Однако развитие технологий в данной отрасли в будущем может позволить размещать установки дальше от берега, где скорость ветра значительно выше, что повысит эффективность их работы. ВЭС не лишены недостатка многих других ВИЭ — уровень вырабатываемой ими энергии нестабилен и сильно зависит от погодных условий. В связи с этим ВИЭ нередко используются вместе с традиционными источниками энергии, что по сути, сводит на нет их экологичность и увеличивает стоимость электроэнергии. Однако эта проблема может быть устранена с помощью хранилищ, которые способны запасать избыточную энергию и высвобождать её во время нехватки. Более того: использование ВИЭ в паре с накопителями энергии приводит к снижению стоимости генерации электричества, поскольку они позволяют накопить энергию в тот момент, когда стоимость её генерации ниже [23].