Возобновляемые источники энергии: что это такое, виды ВИЭ

Основные виды альтернативной энергетики

Таблица 1. Основные виды ВИЭ и их характеристика

Возобновляемая энергетика обеспечивает более четверти (26%) мирового производства электроэнергии. С 2000 года, за исключением гидроэнергетики, выработка электроэнер­гии на основе ВИЭ выросла более чем в 10 раз, и на первом месте стоят ветровая и солнечная энергия.

Рис. 1. Доля ВИЭ в общем производстве электроэнергии в мире в 2022 году

Ветроэнергетика

История ВИЭ — это история больших открытий, начавшихся ещё до начала нашей эры. На протяжении тысячелетий люди искали способы получения энергии новыми способами. Использование человеком ветра берёт своё начало из древности. Давайте вспомним парусные суда Древнего Египта, Греции и других цивилизаций, которые люди использовали ещё 5500 тысяч лет назад. Позже начали появляться мельницы и естественная вентиляция.

Ветряные мельницы веками использовались на Востоке (в Китае, Персии и других странах) и только к X—XII веку перекочевали в Европу, где особое распространение получили на территории современных Нидерландов и ряде других северных стран.

В странах с низкими температурами такой способ получения энергии имел серьёзное преимущество перед использованием кинетической энергии воды, которая могла замерзать в зимний период. Мельницы использовали веками без серьёзных модификаций.

Только в 1854 году Дэниел Халладей придумал саморегулирующийся ветряной насос и систему, при которой мельница могла автоматически поворачиваться по направлению ветра. Тогда же деревянные лопасти заменили на металлические.

Поворотным также стал и 1887 год, когда была создана первая в мире ветряная турбина, которую можно было использовать для производства электроэнергии. Шотландский учёный Джеймс Блит использовал её для освещения собственного дома (излишки электроэнергии он даже предлагал жителям своей улицы, но они отказались).

Таким образом он стал первым человеком в мире, который автономно обеспечил себя электричеством за счёт энергии ветра. Уже на следующий год первый ветрогенератор появился и в США. Чарльз Браш сконструировал уже более сложный и крупный ветрогенератор, чтобы так же провести электричество в свой дом.

В 1891-1895 датский учёный Пол Ля Кур занимался разработкой и усовершенствованием этой технологии представил обществу ветрогенератор, который обеспечивал стабильное напряжение. В дальнейшем он создал прототип электростанции для освещения не одного дома, а уже целой деревни.

В двадцатых годах прошлого века французский учёный Джордж Дарьеизобрёл первую вертикальную турбину (в США её запатентовали только в 1931 году). Форма лопастей довольно сильно отличалась от лопастей современных вертикальных турбин. Их ещё называют ортогональными ветрогенераторами.

И уже в 1930-х годах учёные Джо и Марселлус Джейкобс из США открыли первую фабрику по производству и продаже небольших ветряных турбин в Миннеаполлисе — Jacobs Wind (сейчас это самая старая компания в США, которая создаёт оборудование для возобновляемой энергетики). В сельских районах США фермеры использовали их преимущественно для освещения. 

Кстати, предшественником современных ветряков часто называют ялтинский ветряной двигатель, который обладал серьёзной мощностью не только для того времени, но и для сегодняшних дней. Более того, его производительность была весьма близка к той, что показывают современные ветрогенераторы.

В 1941 году была запущена первая в мире ветряная турбина мощностью в один мегаватт (в штате Вермонт, США). Конструкция была подключена к местной электросети. К 1957 году та самая компания Jacobs Wind продала уже 30 000 турбин в самые разные уголки планеты.

Но поворотным годом в развитии ветряной энергетики стал 1973 год, когда было объявлено нефтяное эмбарго поставщиками нефти, и цены на нефть взлетели вверх. Это вызвало большой интерес к альтернативным источникам энергии. И уже в 1980 году открылась первая в мире ветряная электростанция на 20 турбин (США).

 В дальнейшем ветряная энергетика развивалась намного стремительнее. К 1980-м годам США при поддержке Национального научного фонда и Министерства энергетики уже проводили серьёзные исследования в области ветрогенерации. Именно в этот период появились новые технологии в постройке ветрогенераторов, а их единичная мощность достигла мегаваттного класса.

Этого удалось добиться, изучая аэродинамику ветряных установок. Тогда стало понятно, что получение энергии с помощью ветра может стать по-настоящему масштабным. И уже в 1991 году открылась первая в мире морская плавучая ветряная электростанция в Дании, а в Великобритании береговая ветряная электростанция.

В 2022 энергетическая компания Equinor получила разрешение на строительство крупнейшей в мире плавучей морской ветряной электростанции в районе Тампена в Северном море. Ожидается, что такая электростанция сможет обеспечить электричеством не менее 4,5 млн домов.

Гидроэнергетика

Гидроэнергетика — направление энергетики, связанная с преобразованием кинетической энергии водного потока в механическую и электрическую энергию. Использование энергии воды также берёт своё начало из древних времён.

Всё началосьоколо I века до нашей эры, когда древние греки начали использовать первое водяное колесо, чтобы молоть пшеницу. Параллельно в это же время аналогичное изобретение появилось и в Китае.

Конечно, это была самая простая форма использования энергии воды, но именно она послужила предпосылкой для современных технологических достижений в области гидроэнергетики.

Водяное колесо с рядом модификаций использовалось на протяжении десятков веков.

К XIII веку его использовали уже в производстве пороха и стали, что помогло Средневековой Европе стать лидером в военной сфере. К XVII веку этот вид энергетики сыграл решающую роль в американской и европейской технологической революции, его использовали уже на многочисленных предприятиях: в лесопильной, текстильной промышленности и многих других.

Но всё меняется в XIX веке. В 1827-1831 годы происходит сразу несколько крупных открытий. Французский инженер Бенуа Фурнейрон создаёт свой первый прототип новой модели водяного колеса под названием «турбина 5». А в 1831 году английский физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию и разработал первый в мире трансформатор и электрический генератор — основы электрогенерации и современной электроэнергетики.

В 1878 году пока учёные совершенствовали модели турбин, английский инженер и промышленник Уильям Армстронг объединил работы своих предшественников и построил первую ​​в мире малую гидроэлектростанцию.

Уже через десятилетие, в 1891 году произошёл настоящий научный переворот в передаче электрической энергии и гидроэнергетике после того, как русский изобретатель Михаил Осипович Доливо-Добровольский (работал в Германии) создал работы по передаче трёхфазного тока.

Его конструкция трансформатора до сих пор используется без существенных изменений. Первая передача электрической энергии с высоковольтным трёхфазовым током произошла на выставке во Франкфурте. Там был установлен фонтан, который приводился в движение гидравлическим насосом и двигателем Доливо-Добровольского.

1913 г. Австрийский профессор Виктор Каплан изобретает турбину Каплана, турбину пропеллерного типа с регулируемыми лопастями.

Также серьёзным прорывом стало преобразование приливной энергии Мирового океана в электричество — в 1966 году во Франции открылась первая в мире приливная электростанция Ля-Ранс.

Greenpeace в части ГЭС на реках поддерживает развитие только малых ГЭС.

Всё дело в том, что крупные плотинные ГЭС на реках (с установленной мощностью 25 МВт и более) не только меняют речные экосистемы в худшую сторону, ведут к исчезновению популяций ценных рыб, но и обостряют конкуренцию между водопользователями. Кроме того, искусственные водохранилища, создаваемые для функционирования гидроэлектростанций, могут быть значительным источником выбросов парниковых газов.

Согласно существующим оценкам, в некоторых случаях такие водохранилища в средних широтах могут выделять столько же парниковых газов, сколько их аналоги в тропических широтах. Поэтому, несмотря на то, что эмиссии парниковых газов могут сильно различаться от одной ГЭС к другой, наличие потенциала серьёзных выбросов с водохранилищ крупных ГЭС также не позволяет отнести такие проекты к низкоуглеродным.

Гост р 54531-2022 нетрадиционные технологии. возобновляемые и альтернативные источники энергии. термины и определения от 28 ноября 2022 —

Оптимистичный сценарий

В последнем сценарии специалисты Сколково и РАНХиГС предполагают, что к 2035 г. в России капитальные и операционные затраты по проектам ВИЭ опустятся до минимальных мировых уровней, стоимость капитала снизится до среднемирового уровня, а КИУМ возрастет до максимального мирового уровня – т.е. для СЭС КИУМ примет значение 32%, для ВЭС – 55%, а WACC составит 7,7%, как в докладе Lazard за 2022 г. (табл. 4).

Таблица 4. Приведенная стоимость электроэнергии от возобновляемых источников при оптимистичном сценарии развития ВИЭ в России, в сравнении с приведенной стоимостью традиционной генерации

Понятия и виды

Возобновляемая энергия поступает из природных источников, ресурс которых является практически неисчерпаемым. Они способны постоянно восстанавливаться и пополняться естественным путём. Особенность использования возобновляемой энергии заключается в её получении из естественных природных процессов и передаче потребителю для применения.

Различают возобновляемые и невозобновляемые источники энергии.

Оба типа являются частью природных ресурсов планеты. Невосполняемые источники энергии представлены ископаемыми органическими запасами различных видов топлива: газ, нефть, уголь, торф. Темпы потребления этих ресурсов намного опережают темпы восстановления их объемов, поэтому запасы данного типа энергетических ресурсов либо заканчиваются, либо завершатся в не таком уж далеком будущем.

Энергия указанных источников добывается путем целенаправленных действий человека и ведет к дополнительному нагреву окружающей среды. Последние исследования показывают, что средняя температура земной биосферы неуклонно повышается. Это вызывает негативные изменения в климате Земли.

Возобновляемые источники энергии — это естественные источники энергии, существующие в биосфере нашей планеты и постоянно пополняющиеся за счет энергии солнца и естественных процессов. Они не являются плодом прямой человеческой деятельности, что отличает их от невозобновляемых источников.

Использование возобновляемых источников энергии не добавляет дополнительной энергетической нагрузки, не ведет к повышению температуры на Земле. Экологически они безотходны, не загрязняют среду обитания.

Главное достоинство возобновляемых источников энергии — неисчерпаемость и экологическая чистота.

Рассмотрим, какие есть возобновляемые источники энергии. Согласно определению, данному ООН, к возобновляемым источникам энергии относятся:

• солнце;
• ветер;
• морские и океанские приливы и волны;
• подземные горячие ключи,
• гидроэнергетические ресурсы больших и малых рек.
• продукты биомассы.

Развитие возобновляемых источников энергии в мире и рф: сравнительный анализ

Рассматривая перспективы альтернативной энергетики, стоит также отметить, что ряд стран уже обозначил планы по внедрению ВИЭ в хозяйственную жизнь:

• К 2035 г. Германия (население более 82 млн человек) планирует перевести 55–60% своей электроэнергетики на возобновляемые источники энергии (ВИЭ), к 2050 г. – не менее 80%;

• Португалия (население более 10 млн человек) планирует обеспечивать свои потребности в электроэнергии за счет ВИЭ на 80% к 2030 г. и на 100% – к 2050 г.

• Испания (население более 46 млн человек) также полностью переведет свою электроэнергетику на ВИЭ к 2050 г.;

• Дания (население более 5 млн человек) намерена полностью перейти на ВИЭ во всех энергетических секторах, включая транспортный, к 2050 г.;

• В США 153 города поставили перед собой цель 100% ВИЭ в электроэнергетике. Аналогичные планы приняли 9 штатов, округов и территорий, включая штат Калифорния (население почти 40 млн человек).

Эти события имеют место по двум причинам. Во-первых, ввиду стремительного удешевления ВИЭ, которое произошло за последние 10 лет (по данным Lazard, в период с 2009 по 2022 гг. 1 кВт*ч электроэнергии, произведенной за счет ветра, подешевел на 70%, за счет солнца – на 89%).

Как отмечается в обзоре Standard & Poor’s Global Ratings, экологические, социальные и управленческие стандарты в РФ, к сожалению, пока еще находятся на достаточно низком уровне по сравнению с рядом европейских стран. В том же Китае уже запустили национальную систему торговли квотами на выбросы углерода в области генерации электроэнергии.

Таким образом, власти КНР мотивируют энергетические компании переходить на экологически чистые технологии и становиться более энергоэффективными. Впечатляющую динамику развития демонстрируют китайские компании, работающие в сфере ВИЭ. В Deutsche Bank отмечают, что к 2030 году производство солнечной энергии в Китае может вырасти в 10 раз, а производство энергии ветра в 3–4 раза по сравнению с уровнем 2020 года.

На фоне амбициозных международных планов российские намерения выглядят скромно. В России к 2035 г., согласно действующей Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики на период до 2035 года, будет построено в общей сложности 11,6 ГВт электростанций на ВИЭ, что эквивалентно менее 5% всей установленной мощности электростанций в стране и 1,5–2% генерации, исходя из реальных текущих российских значений коэффициентов использования установленной мощности (КИУМ – отношение количества фактически выработанной электроэнергии к количеству электроэнергии, которое было бы выработано, если бы электростанция постоянно работала с нагрузкой, соответствующей ее установленной мощности) .

Солнечная энергетика

Если ветроэнергетика скорее модифицировалась и совершенствовалась, то с солнечной энергией дела обстоят иначе. Здесь открытия учёных в течение последних десятилетий кардинально изменили способы использования солнечного света. 

Древние люди использовали солнечный свет для нагревания пищи, отопления домов и розжига. В первые века нашей эры — 100-400 годы — стал популярен солнечный нагрев воды. Римский архитектор Ветрувий после поездки в Грецию, где уже строили дома на южную сторону для дополнительного отопления за счёт нагревания стены и всего здания солнечными лучами, решил применить эту идею и в Риме.

Сложно оценить, когда человечество подошло к идее использовать солнечную радиацию для получения электрической энергии. Если уходить к самым истокам направления, то стоит вспомнитьАлександра Беккереля, который ещё в 1839 году изучал влияние света на электролиты.

Но настоящий прорыв случился в 1860 году, когда француз Огюстэн Мушо изобрёл первую в мире солнечную энергетическую систему. После своих предсказаний, что однажды наши запасы угля закончатся, Мушо провёл испытания своего «солнечного счётчика».

Первым же, кто открыл солнечные батареи, стал Чарльз Фритц, который в 1883 году создал собственную настольную электростанцию: она работала от небольшой позолочёной селеновой пластинки. И уже через год он установил солнечные батареи на крыше в Нью-Йорке. 

В дальнейшем появление современной теоретической физики помогло создать основу для более глубокого понимания фотовольтаики — получения электрической энергии за счёт солнечной радиации. Уже в 1888 физик Вильгельм Халлвакс описал физику фотоэлектрических элементов в так называемом эффекте Холлваха.

А всего через 7 лет Альберт Эйнштейн опубликовал «Об эвристической точке зрения на производство и преобразование света», в которой объяснил, как свет создаёт электрический ток, выбивая электроны из атомов в определённых металлах. В дальнейшем он же дал теоретическую основу фотовольтаике, на основе которой в дальнейшем развивалась солнечная энергетика.

В 1916 году химик Ян Чохральский изобрёл метод создания монокристаллов металла. Это стало основой для создания полупроводниковых пластин, которые до сих пор используются в электронике, включая фотоэлементы.

Но вот начало использования солнечных панелей, какими мы знаем их сейчас, случилось только в середине XX века. Американская компания «Лаборатории Белла (Bell Labs)» вывела солнечную энергетику на коммерческий рынок. Ещё в 1941 году инженер компании Рассел Ол подал патент на первый монокристаллический кремниевый солнечный элемент. И не проиграл, так как в послевоенное время произошёл дефицит энергии.

И в 1954 году компания продаёт свой первый эффективный кремниевый солнечный элемент. Конечно, он не был таким производительным, как современные солнечные панели (КПД — всего 6 процентов), но они всё равно стали популярны настолько, что началось стремительное развитие отрасли: уже через несколько лет был создан первый космический корабль на солнечных батареях, по Лондону проехал первый автомобиль с солнечными батареями на крыше.

В начале 1960-х годов Жорес Алфёров и Герберт Крёмер независимо предложили научное решение, позволившее резко поднять КПД солнечных панелей за счёт полупроводниковыхгетероструктур. В 2000 году учёные были удостоены Нобелевской премии за развитие физики полупроводниковых гетероструктур.

На данный момент такие страны как США, Китай и многие другие активно развивают солнечную энергетику. Одним из драйверов такой поддержки стал вопрос климатических изменений. Постоянные климатические аномалии, которые влияют как на жизнь людей, так и на экономику целых стран заставили обратиться к энергии солнца, которую использовали столетиями и которая даёт потенциал для дальнейшего развития.

Стоимость энергии от альтернативных источников

Поскольку Россия традиционно богата углеводородами, и ввиду этого производство электроэнергии за счет газа и угля на ее территории является развитым и дешевым, важнейшую роль в определении перспектив развития ВИЭ в стране будет играть фактор стоимости электроэнергии от возобновляемых источников.

В настоящее время стоимость электроэнергии в расчете на 1 кВт*ч принято рассчитывать по формуле приведенной стоимости электроэнергии (levelized cost of energy, LCOE – средняя расчетная себестоимость производства единицы электроэнергии на протяжении всего жизненного цикла электростанции, включая все возможные инвестиции и эксплуатационные затраты, а также учитывая объем генерации электроэнергии и стоимость капитала).

Данных о стоимости электроэнергии от разных источников в России достаточно мало. В табл. 2 собраны все имеющиеся российские оценки LCOE, как для традиционной генерации, так и для генерации за счет ВИЭ, и осуществлено сравнение их с глобальными оценками.

Таблица 2. Сравнительный анализ приведенной стоимости электроэнергии от традиционных и возобновляемых источников в Россия и зарубежных странах