Что такое чистая энергия

Спросите Итана: существует ли такое понятие, как чистая энергия?

Появление бозона Хиггса на компактном мюонном соленоидном детекторе на Большом адронном коллайдере. Это высокоэнергетическое столкновение иллюстрирует всю мощь преобразования энергии, всегда существующей в виде частиц

Энергия играет важнейшую роль не только в нашей повседневной жизни, наполненной технологиями, но и в фундаментальной физике. Химическая энергия, хранящаяся в бензине, преобразуется в кинетическую энергию наших средств передвижения, а электроэнергия с электростанций преобразуется в свет, тепло и другие виды энергии в наших домах. Но эта энергия будто бы существует в виде одного свойства независимой системы. Но обязательно ли всё должно быть именно так? Наш читатель из Москвы задаёт вопрос по поводу самой энергии:

На фундаментальном уровне энергия может принимать различные виды.

Известные частицы в Стандартной Модели. Это все частицы, что мы открыли напрямую; за исключением нескольких бозонов, у всех частиц есть масса.

Простейшая и самая известна форма энергии выражается через массу. Обычно мы не рассуждаем в терминах эйнштейновского E = mc 2 , но каждый физический объект, когда-либо существовавший во Вселенной, состоит из массивных частиц, и просто потому, что у них есть масса, у этих частиц есть и энергия. Если эти частицы движутся, у них появляется дополнительная энергия – кинетическая, или энергия движения.

Электронные переходы в атоме водорода, совместно с длинами волн получающихся фотонов, иллюстрация энергии связи

Наконец, эти частицы могут связываться друг с другом различными способами, формируя более сложные структуры – ядра, атомы, молекулы, клетки, организмы, планеты и т.п. Эта разновидность энергии известна как энергия связи, и она на самом деле отрицательная. Она уменьшает массу покоя всей системы, и поэтому ядерный синтез, происходящий в ядрах звёзд, может испускать столько света и тепла: превращая массу в энергию через ту же самую формулу E = mc 2 . За 4,5 миллиардолетнюю историю Солнца оно потеряло примерно массу Сатурна просто из-за синтеза гелия из водорода.

Солнце генерирует энергию, синтезируя гелий из водорода в ядре, теряя в процессе небольшое количество массы.

Солнце представляет другой пример энергии: свет и тепло, идущие в виде фотонов, отличающихся от описанных нами форм энергий. Есть и безмассовые частицы – частицы без энергии покоя – и эти частицы, фотоны, глюоны и гипотетические гравитоны, движутся со скоростью света. Однако они переносят энергию в виде кинетической энергии, и, в случае глюонов, отвечают за энергию связи внутри атомных ядер и протонов.

Теория асимптотической свободы, описывающая силу взаимодействий кварков в ядре, принесла Нобелевскую премию Гроссу, Вильчеку и Политцеру.

Фундаментальный вопрос состоит в том, может ли энергия существовать независимо от любой из этих частиц. Существовала соблазнительная возможность того, что это она существует отдельно в виде гравитации: много десятилетий мы наблюдали за орбитами двойных нейтронных звёзд – двух остатков коллапсировавших звёзд, вращавшихся вокруг друг друга. Благодаря измерениям длительности импульсов пульсаров, когда одна из звёзд отправляет регулярные сигналы в нашу сторону, мы смогли определить, что эти орбиты уменьшаются и сближаются по спирали. С возрастанием их энергии связи должно происходить излучение энергии в какой-либо форме. Мы могли засечь эффекты уменьшения, но не излучаемую энергию.

Для вращающихся друг вокруг друга нейтронных звёзд ОТО Эйнштейна предсказывает уменьшение орбит и испускание гравитационного излучения

Единственным способом объяснить это было введением некоего типа гравитационного излучения: нам нужно было, чтобы гравитационные волны существовали. Первое слияние чёрных дыр, зафиксированное детектором LIGO 14 сентября 2015 года, должно было проверить эту теорию. В тот день мы зафиксировали две чёрные дыры, по спирали сближавшиеся друг с другом, и прямые гравитационные волны, испущенные этим слиянием. Изначальные чёрные дыры обладали массами в 36 и 29 солнечных; итоговая дыра после слияния имела массу в 62 солнечных.

Важнейшие параметры слияния чёрных дыр 14 сентября 2015 года. Обратите внимание, что во время слияния были потеряны три солнечных массы – но эта энергия живёт в виде гравитационного излучения

Пропавшие три солнечных массы были излучены в виде гравитационных волн, и сила уловленных нами волн точно совпадала с расчётной, необходимой для сохранения энергии. Эйнштейновское E = mc 2 и перенос энергии в виде частиц или физических явлений снова были подтверждены.

Спиральное сближение и слияние первой пары чёрных дыр из всех, наблюдаемых напрямую

Энергия принимает различные формы, и некоторые из них фундаментальны. Масса покоя частицы со временем не меняется, как не меняется она от частицы к частице. Энергия этого типа присуща всему во Вселенной. Все остальные существующие формы энергии связаны с ней. Атом в возбуждённом состоянии несёт больше энергии, чем атом в основном состоянии – из-за разницы в энергии связи. Если вы хотите перейти на более низкое состояние энергии, вам нужно испустить фотон; нельзя сделать этот переход, не сохраняя энергию, и эту энергию должна унести частица – пусть и безмассовая.

На этом изображении один фотон (фиолетовый) переносит в миллион раз больше энергии, чем другой (жёлтый). Данные обсерватории Ферми по двум фотонам из вспышки гамма-лучей не показывают какой-либо задержки во времени путешествия, что означает, что скорость света не зависит от энергии

Странный факт состоит в том, что энергия фотона, или любая кинетическая форма энергии (энергия движения) не фундаментальна, а зависит от движения наблюдателя. Если вы движетесь навстречу фотону, его энергия для вас будет казаться больше (длина волны сдвигается в синюю часть спектра), а если вы двигаетесь от него, его энергия будет меньше, и он будет казаться сдвинутым в красную часть спектра. Энергия относительна, но для любого наблюдателя она сохраняется. Вне зависимости от взаимодействий энергия никогда не существует сама по себе, а только лишь как часть системы частиц, массивных или нет.

Энергия может менять формы, даже превращаться из энергии массы в чисто кинетическую, но всегда существует в виде частиц

Есть один вид энергии, которая, вероятно, может обойтись без частиц: тёмная энергия. Та форма энергии, что заставляет Вселенную расширяться с ускорением, может оказаться энергией, присущей самой ткани Вселенной! Такая интерпретация тёмной энергии внутренне непротиворечива и совпадает с наблюдениями за удалёнными и удаляющимися от нас галактиками и квазарами. Единственная проблема – эту форму энергии нельзя использовать для создания или уничтожения частиц, и конвертировать между другими формами энергии. Она кажется сущностью в себе, не связанной взаимодействиями с другими формами энергии, существующими во Вселенной.

Без тёмной энергии Вселенная бы не ускорялась. Но до этой энергии через другие частицы Вселенной добраться никак нельзя.

Так что полностью ответ на вопрос о существовании чистой энергии будет таким:

• Для всех существующих частиц, массивных и нет, энергия – одно из их свойств, и не может существовать отдельно.
• Для всех ситуаций, в которых кажется, что энергия теряется в системе, допустим, при гравитационном угасании, существует какая-либо форма излучения, уносящая эту энергию, сохраняя её.
• Тёмная энергия может оказаться чистейшей формой энергии, существующей вне зависимости от частиц, но, за исключением расширения Вселенной, эта энергия недоступна ни для чего другого во Вселенной.

Насколько нам известно, энергия – это не то, что можно изолировать в лаборатории, но одно из множества свойств, которыми обладают материя, антиматерия и излучение. Создание независимой от частиц энергии? Возможно, Вселенная этим и занимается, но пока мы не научимся создавать или уничтожать пространство-время, у нас такие действия не выходят.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Чистая энергия

Мы объясняем, что такое чистая энергия, почему она важна и что она собой представляет. Также примеры и что такое загрязняющие энергии
Чистые источники энергии стремятся оказывать минимальное воздействие на окружающую среду

Что такое чистая энергия?

Чистые источники энергии или ‘зеленые’ источники энергии – это такие формы получения энергии , которые оказывают минимальное или нулевое экологическое воздействие на окружающую среду в процессе их добычи и производства. Другими словами, это ‘зеленая’ или экологически чистая энергия

На практике пока не существует такой формы производства полезной энергии, которая была бы абсолютно безвредной с точки зрения экологии. Однако некоторые загрязняют гораздо больше, чем другие, и оставляют неизгладимый след своего присутствия на экосистеме и на здоровье живых существ . Те, которые кажутся наиболее безопасными и надежными с экологической точки зрения – это те, которые мы считаем чистыми

Хотя часто ошибочно используются как синонимы, чистую энергию не следует путать с возобновляемой или устойчивой энергией. Последние – это те, которые не расходуют сырье своего процесса или делают это настолько медленно, что природе дается место для его восполнения. Некоторые из этих возобновляемых источников энергии могут быть чистыми, поскольку они минимально загрязняют окружающую среду, но не обязательно все виды энергии, которые являются чистыми, происходят из возобновляемых источников

В частности, чистые источники энергии обычно используют энергию тепло природных элементов, используя их как канал для производства электроэнергии , используемой в домах людей и промышленности. И они делают это с наименьшим возможным воздействием на соответствующие экосистемы , что не означает отсутствие негативного воздействия

Важность чистых источников энергии

4JTE3 изменение климата глобальное потепление – это явления, возникшие с начала промышленной революции (17 век). 17 ВЕК). Сегодня существует острая необходимость в разработке и внедрении эффективной, но устойчивой системы производства энергии , которая не погубит планету в процессе

Нашему миру с каждым днем требуется все больше энергии, но ископаемое топливо и ядерная энергия представляют собой скорее угрозу, чем решение проблемы , учитывая их последствия для здоровья человека и мирового климатического баланса. В этом контексте чистые источники энергии становятся крайне необходимыми

Что такое чистая энергия?

Энергия ветра вырабатывается под действием силы ветра.

Наиболее часто используемые сегодня чистые виды энергии связаны с четырьмя основными элементами, присутствующими в природе: воздух (ветер, энергия ветра), вода (гидро/гидроэлектрическая энергия), огонь (солнце, солнечная энергия) и земля (геотермальная энергия)

. Энергия ветра вырабатывается путем прохождения ветра через ветряные турбины, которые способны преобразовывать движение воздуха в электрическую энергию. Когда воздух нагнетается на лопасти специальных ветряных мельниц, лопасти приводятся в движение вращающимися шестернями и динамо-машиной, вырабатывая электрический ток. Несмотря на то, что ветроэнергетика является одним из самых недорогих видов экологически чистой энергии, она имеет некоторые экологические недостатки: для выработки относительно небольшого тока требуются большие поля ветряных мельниц, что портит ландшафт и иногда создает мешающий шум. Кроме того, влияние ветряков и турбин на окружающую среду до сих пор остается неопределенным. . Она основана на производстве энергии благодаря воде, используя гравитационную потенциальную энергию и кинетическую энергию больших водоемов в движении, таких как реки или естественные водопады (водопады, каскады, водопады и т.д.) через систему турбин, мобилизуемых жидкостью при ее прохождении. Этот вид энергии использовался на протяжении веков, сначала в небольших масштабах с помощью водяных мельниц, а теперь в более крупных масштабах на гидроэлектростанциях.
Хотя это надежный и постоянный источник энергии по относительно дешевой цене (затраты на первоначальные инвестиции компенсируются в будущем), этот источник энергии также имеет некоторые недостатки: строительство плотин приводит к изменению естественного течения рек, изменяя течения и температуру воды, что значительно влияет на экосистему, включая фауну и водную флору. Кроме того, иногда наводнение может произойти из-за изменений, внесенных в землю во время строительства. . Она основана на использовании солнечной радиации с помощью специализированных технологий , которые позволяют улавливать фотоны солнца и преобразовывать их в электрическую энергию. Существует три основных способа использования солнечной энергии: использование фотоэлектрических панелей (которые принимают свет и преобразуют его в электричество), использование солнечных коллекторов (которые позволяют улавливать солнечную энергию и использовать ее для производства тепловой энергии , то есть для нагрева устройств, питающихся от этого источника) и использование концентрированных солнечных электростанций (которые осуществляют косвенное преобразование солнечной энергии в электрическую на основе термодинамического цикла).
Солнечная энергия является хорошей альтернативой, поскольку она неисчерпаема и чиста. Однако у него есть и свои недостатки. Во-первых, стоимость солнечных батарей все еще очень высока по сравнению с другими доступными видами энергии. Однако при нынешней технологии невозможно улавливать солнечное излучение ночью или когда небо очень облачное. . Получается путем использования тепла из недр Земли (где давление температура высокие), для кипячения воды и подачи пара на турбины генератора, или для повторной передачи тепла из газа для других целей. Его недостатком является то, что для его использования требуются термальные или гейзерные месторождения, т.е. минимум вулканической активности (поэтому он не может быть использован в каждом регионе), а геотермальная активность иногда связана с микроземлетрясениями. Кроме того, затраты на добычу и получение этого вида энергии высоки.

Примеры чистых видов энергии

Приливная электростанция на реке Ранс в Бретани, Франция.

Примерами этих энергий являются:

• Ветропарк Rawson в Чубуте (Патагония, Аргентина, где он использует преимущества постоянного ветра, проносящегося через равнину) является крупнейшим ветропарком в Аргентине и одним из самых важных в Латинской Америке
• Гурийское водохранилище. Расположенный в венесуэльском штате Боливар, он является вторым по величине водоемом в южноамериканском государстве , где находится гидроэлектростанция имени Симона Боливара, обеспечивающая электроэнергией почти всю страну.
• Приливная электростанция на реке Ранс. Расположенный в устье реки Ранс (в Бретани, Франция), он является крупнейшим в Европе и вторым по величине в мире. Его 24 турбины способны удовлетворить 9% потребностей региона в энергии.
• Солнечный завод Вильянуэва. Расположенный в Коауиле, Мексика, он является крупнейшим фотоэлектрическим заводом в Латинской Америке и имеет 2 300 000 панелей, которые в течение дня перемещаются с востока на запад вслед за солнцем.
• Геотермальная электростанция Nesjavellir в Исландии является второй по величине в стране и обеспечивает электричеством и горячей водой столичный район.

Загрязняющие энергии

Загрязняющие или грязные энергии – это энергии, которые в процессе их производства, распределения и потребления имеют высокие экологические затраты и которые наносят значительный ущерб окружающей среде. Эти энергии могут иметь разрушительные последствия для жизни людей и животных, а также для климатического баланса планеты. Обычно их получают при сжигании ископаемого топлива (например, угля, газа и нефти ), хотя есть и те, которые основаны на других источниках, например, ядерная энергия

Чистая энергия: что это значит для потребителя?

На протяжении последних шестидесяти лет Всемирная организация потребителей (Consumers International) выступает за доступную, надежную и безопасную энергию для всех. Положение этой организации на мировой арене позволяет влиять на принятие стратегических решений.

Теперь, когда рост цен на энергоносители заставляет потребителей корректировать свои бюджеты, а также в связи с острой необходимостью предотвратить катастрофическое изменение климата, призывы ускорить переход к зеленой и чистой энергии звучат все громче. В 2015 году в результате работы Всемирной организации потребителей в Руководящие принципы ООН был включен пункт «всеобщий доступ к экологически чистой энергии». А в июле 2022 года на Межправительственной группе экспертов ЮНКТАД (МГЭ) по законодательству и политике в области защиты прав потребителей в повестку дня на 2023 год впервые включен «переход на чистую энергию».

Всемирная организация потребителей признает, что потребители являются ключевыми игроками в содействии к переходу на чистую энергию, и гарантирует, что им будет оказана поддержка, чтобы они могли сыграть свою роль. Это включает в себя оценку того, какие дополнительные средства защиты нужны потребителям, когда они осваивают новые технологии и энергетические рынки, поддержка стран с низким уровнем дохода в снижении их зависимости от нефти и угля.

Что подразумевается под «переходом к экологически чистой энергии»? Переход к экологически чистой энергии означает уменьшение в производстве энергии доли источников, при использовании которых выбрасываются большие объемы парниковых газов, например, органического топлива, и увеличение доли таких источников, которые предполагают минимальные выбросы парниковых газов или вовсе их отсутствие. К числу таких экологически чистых источников относится ядерная энергия, энергия воды, ветра и солнца.

С учетом того, что примерно две трети всей мировой электроэнергии вырабатывается на основе сжигания органического топлива, по расчетам Международного энергетического агентства (МЭА), для достижения к 2050 году поставленных целей в области борьбы с изменением климата потребуется перевести на низкоуглеродные источники не менее 80% всех генерирующих мощностей.

Переход на чистую энергию существенным образом снизит выбросы, которые загрязняют атмосферу. Чистая энергия не оказывает отрицательного воздействия на окружающую среду, отсутствуют выбросы парниковых газов.

Кроме того, многие чистые источники энергии являются возобновляемыми, то есть получаются из энергетических ресурсов, которые являются неисчерпаемыми, работающие по принципу ее извлечения из природных ресурсов, таких как: солнечный свет, водные потоки, ветер, а также из биотоплива: древесины и других ресурсов.

Ко Всемирному дню прав потребителей 2023 года Всемирная организация потребителей проведет первую в своем роде конференцию, чтобы объединить заинтересованные стороны вокруг этой новой глобальной программы действий.

Чистая энергия: будущее неизвестно

Видео: Джо Диспенза. Исцеление в квантовом поле. Joe Dispenza.Healing in the quantum field.

Содержание

А.Л. имеет степень бакалавра наук в области природных ресурсов и экологических исследований.

Чистая энергия

Чистая энергия — это энергия, полученная из возобновляемых источников с нулевыми выбросами вредных для окружающей среды побочных продуктов. Несмотря на обилие возобновляемых ресурсов в виде воды, ветра, солнца, геотермальной энергии и биомассы, зависимость от традиционных невозобновляемых источников энергии, таких как уголь и нефть, не снизилась до уровней, которые могут поддерживаться окружающей средой.

Возобновляемые ресурсы обладают способностью естественным образом восполняться, когда их запасы уменьшаются или истощаются, с другой стороны, невозобновляемые ресурсы не могут пополнить свои запасы в течение короткого периода использования. Невозобновляемые источники энергии — это преимущественно ископаемые виды топлива в виде углеводородов, образующихся в результате естественных процессов, эти процессы происходят за период в миллион лет. Это энергетическое явление известно веками. По этой причине много инвестиций было направлено на снижение энергетической зависимости и использование невозобновляемых источников энергии, а также на увеличение производства энергии из возобновляемых источников, таких как ветер и солнце.

В дополнение к их ограниченному характеру невозобновляемые ресурсы считаются одним из основных источников загрязнения и выбросов парниковых газов. По данным Агентства по охране окружающей среды, крупнейшим источником выбросов парниковых газов в результате деятельности человека в Соединенных Штатах является сжигание ископаемого топлива для производства электроэнергии, тепла и транспорта.

Несмотря на хорошо известные недостатки использования ископаемого топлива, на эти невозобновляемые источники энергии сегодня приходится большая часть источников энергии в мире. В 2017 году сжигание ископаемого топлива произвело 64,8% мировой электроэнергии (Statista, 2020).

Благодаря быстрому прогрессу, достигнутому в области науки и техники, инновации в области производства энергии с помощью ветра и солнца уже должны были отвести сжигание ископаемого топлива в прошлое, где они и должны быть. Однако этого не произошло, будущее энергетики все еще остается неопределенным, невозобновляемые источники энергии по-прежнему являются доминирующим источником энергии.

Более чистые и возобновляемые источники энергии

Более чистые и возобновляемые источники энергии могут показаться источником энергии будущего, но на самом деле использование этих источников энергии предшествует использованию ископаемого топлива. Древесина, биомасса и возобновляемые ресурсы были первым зарегистрированным источником энергии, который хранился и использовался первыми людьми.

В древних цивилизациях солнце также считалось источником энергии. Египтяне были первыми зарегистрированными людьми, использовавшими энергию солнца для обогрева своих домов. Их дома были спроектированы таким образом, чтобы солнечное тепло сохранялось в течение дня и выделялось ночью, когда было холодно. Коренные американцы и римляне также использовали аналогичные конструкции для своих домов и могли использовать энергию солнца.

Согласно историческому отчету EIA, энергия ветра использовалась для движения лодок по реке Нил еще в 5000 году до нашей эры. К 200 г. до н. Э. Простые ветряные водяные насосы также использовались в Китае, а ветряные мельницы с лопастями из плетеного тростника перемалывали зерно в Персии и на Ближнем Востоке.

Первые инновации в использовании воды для производства энергии были изобретены в Китае во времена династии Хань между 202 г. до н.э. и 9 г. н.э. Отбойные молотки с приводом от вертикально установленного водяного колеса использовались для измельчения и лущения зерна, дробления руды и на ранних этапах производства бумаги (отчет IHA, 2017).

Ископаемое топливо, такое как уголь, также использовалось еще в 1000 году до нашей эры. Однако промышленная революция 1700-х годов была самым ранним зарегистрированным глобальным применением угля в качестве источника энергии. Природный газ и нефть также являются относительно новыми для энергетического сектора, их применение в глобальном масштабе началось только в конце 1800-х — начале 1900-х годов.

Несмотря на то, что ископаемое топливо появилось с опозданием, ему все же удалось обогнать возобновляемые источники энергии и стать основным источником энергии. Невозобновляемая природа ископаемого топлива стала проблемой только в середине 1900-х годов, когда ученые начали выражать озабоченность перспективами нехватки этого топлива. Боязнь нехватки ископаемого топлива привела к разговорам о возвращении к возобновляемым формам энергии. В этот период также наблюдался рост использования солнечной, ветровой и гидроэнергетической энергетики и инноваций, в это же время была введена в эксплуатацию первая полномасштабная атомная электростанция. В 1900-х годах также были созданы первые геотермальные электростанции, сначала в Европе, а затем в Северной Америке.

Первые сигналы тревоги по поводу нехватки ископаемого топлива были подняты более 70 лет назад, в тот же период мы стали свидетелями возрождения возобновляемых форм источников энергии. 70 лет спустя невозобновляемые ископаемые виды топлива по-прежнему составляют более половины энергетического сектора. Несмотря на постепенный рост, возобновляемые формы энергии по-прежнему отстают от ископаемого топлива, и в обозримом будущем эта тенденция сохранится. Некоторые важные научные, социально-экономические, географические и экологические факторы препятствовали росту сектора возобновляемых источников энергии. Эти факторы по-разному влияют на каждый возобновляемый источник энергии.

Солнечная энергия

Солнце является основным и основным источником энергии для планеты Земля, без энергии Солнца жизнь на Земле практически невозможна. Фактически, энергия ископаемого топлива также получена от солнца.

По данным Института сельского хозяйства Университета Теннесси, Солнце выделяет около 384,6 йотта ватт (3,846 × 1026 ватт) энергии в виде света и других форм излучения. Количество энергии солнца, падающего на поверхность Земли в одном только Техасе, при преобразовании в электричество было бы примерно в 300 раз больше общей выходной мощности всех электростанций в мире.

Огромная часть энергии, которую можно получить от солнца, является причиной того, что разговоры об экологически устойчивой энергии всегда вращаются вокруг солнечной энергии. Солнечная энергия не только является возобновляемым ресурсом, но и не имеет документально подтвержденных выбросов.

Солнечная энергия использовалась для производства электроэнергии в районах, не подключенных к энергосистеме. В последнее время наблюдается рост количества устройств на солнечной энергии, включая автомобили, компьютеры, телефоны, светофоры, плиты, насосы, телевизоры и многие другие. Широкое распространение и применение солнечной энергии делает ее наиболее вероятным источником чистой и возобновляемой энергии для замены ископаемого топлива, однако солнечная энергия по-прежнему отстает от ископаемого топлива с точки зрения распределения и глобального применения.

Солнечная энергия имеет хорошо документированные финансовые затраты, первоначальная стоимость установки солнечной системы довольно высока. Помимо установки, относительно высоки и цены на солнечные панели, аккумуляторы, провода, инверторы.

Солнечная энергия также сильно зависит от погоды и времени. При наличии в течение дня при ясном солнечном свете солнечная энергия может использоваться сразу же или храниться в батареях. Ночью, в пасмурную или дождливую погоду эффективность солнечной системы снижается, и в качестве источника энергии сильно полагаются на батарею. Для питания нескольких основных бытовых приборов потребуется большое количество батарей. Батареи требуют обслуживания и замены после определенного периода использования, что приводит к дополнительным расходам, а количество энергии, вырабатываемой солнечными панелями и батареями на занимаемое пространство, относительно невелико.

Печь с одной горелкой, для работы которой требуется 220 вольт, требует 400 последовательно соединенных ячеек. В настоящее время доступные панели обычно содержат 60 или 72 ячейки последовательно, поэтому 6 панелей, каждая из которых имеет 72 размера ячейки, должны обеспечивать пиковую мощность около 150 Вт. В зависимости от погоды и времени суток энергия, подаваемая панелями, может уменьшиться, поэтому в таких ситуациях может потребоваться больше панелей.

Низкое энергопотребление солнечного оборудования в сочетании с высокими затратами на его установку, обслуживание и замену способствовало низкой глобальной привлекательности солнечной энергии как первичного источника энергии.

Отчет Международного энергетического агентства за 2019 год показывает, что на солнечную энергию приходится всего 2,1% мирового производства электроэнергии.

Энергия ветра

Энергия ветра тесно связана с солнечной энергией, иногда ее считают формой солнечной энергии. Это относится к процессу создания электричества с помощью ветра или воздушных потоков, которые естественным образом возникают в земной атмосфере. Ветровые турбины преобразуют кинетическую энергию ветра в механическую энергию, которая затем преобразуется в электричество генератором.

Использование энергии ветра восходит к 5000 году до нашей эры, но только в 11 веке энергия ветра использовалась по всему миру. Различные варианты ветряных турбин все еще существуют в разных частях мира. Энергия ветра преимущественно использовалась для перекачки воды и производства продуктов питания на ветряных мельницах. Однако в 1970-х годах нехватка топлива вызвала всплеск использования энергии ветра.

Согласно отчету EIA, использование энергии ветра для производства электроэнергии в Соединенных Штатах составляло менее 1% в 1990 году по сравнению с 7% в 2018 году. В мире ветроэнергетика также растет, при этом Китай обладает крупнейшими производственными мощностями по производству энергии ветра.

Согласно данным Всемирной ассоциации ветроэнергетики, в 2017 году Дания установила новый мировой рекорд: 43% энергии вырабатывается ветром. Все большее число стран, в том числе Германия, Ирландия, Португалия, Испания, Швеция и Уругвай, достигли двузначной доли ветроэнергетики. Однако в других регионах мира доля ветроэнергетики все еще измеряется однозначной цифрой.

Отчет Международного энергетического агентства за 2019 год показал, что на ветровую энергию приходится 4,6% мирового производства электроэнергии.

Отсутствие глобальной привлекательности для ветровой энергии связано с ее высокой начальной стоимостью установки, по сравнению с другими источниками энергии, ветряная электростанция может быть неконкурентоспособной по стоимости.

Помимо высокой стоимости установки, площадки ветряных электростанций обычно расположены на удаленных открытых площадках, для передачи вырабатываемой электроэнергии обычно требуются линии электропередач, что увеличивает стоимость. Подключенные ветряные электростанции и линии электропередач обычно покрывают большую площадь, которую можно было бы использовать для других конкурирующих видов землепользования.

Несмотря на то, что энергия ветра считается экологически чистым источником энергии, она не безупречна. Известно, что ветряные электростанции производят шум от вращающихся турбин. Экологические проблемы также были подняты в связи с гибелью диких животных от вращающихся турбин.

Несмотря на проблемы, ветроэнергетика находится на подъеме: по прогнозам, через 10 лет энергия ветра будет обеспечивать 19% мировой электроэнергии. Если не будут решены основные проблемы ветроэнергетики, глобальная привлекательность ветроэнергетики останется низкой.

Hydro Energy

Гидроэлектростанции преобразуют энергию, полученную при перемещении воды, в электричество. Турбины преобразуют кинетическую энергию падающей воды в механическую. Затем генератор преобразует механическую энергию турбины в электрическую.

Согласно отчету EIA, гидроэнергетика была одним из первых источников энергии, используемых для производства электроэнергии, и является крупнейшим единственным возобновляемым источником энергии для производства электроэнергии в Соединенных Штатах. В 2018 году на долю гидроэлектроэнергии приходилось около 7% от общего объема производства электроэнергии коммунальными предприятиями США и 41% от общего объема производства электроэнергии коммунальными предприятиями из возобновляемых источников энергии.

В глобальном масштабе гидроэнергетика является крупнейшим в мире источником возобновляемой электроэнергии. Отчет МЭА за 2019 год показывает, что на гидроэнергетику приходится 15,9% мирового производства электроэнергии.

Гидроэнергетика имеет свои преимущества, это богатый возобновляемый источник энергии, который использует энергию проточной воды, не уменьшая ее количества, для производства электроэнергии.

У него также есть свои недостатки, это может повлиять на землепользование и естественную среду обитания в районе плотины. Строительство водохранилищ очень дорогое и может охватывать дома людей, важные природные территории, сельскохозяйственные угодья и места археологических раскопок. Гидроэнергетика также сильно зависит от гидрологического цикла. Это сильно зависит от доступных водоемов и уровней осадков, что означает, что не во всех регионах мира можно разместить гидроэлектростанции. Несмотря на рост производства гидроэлектроэнергии, эти недостатки замедлили его рост во всем мире.

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия — один из древнейших видов энергии, используемых человеком. Археологические данные показывают, что первое прямое использование геотермальной энергии произошло не менее 10 000 лет назад. Связанное с культурным, лечебным и духовным значением, использование геотермальной энергии было всемирно известным, от коренных американцев в Северной Америке, греков и римлян в Европе до древних цивилизаций в Азии.

Геотермальная энергия — это в основном тепло, получаемое из недр земли. Вода и / или пар переносят геотермальную энергию на поверхность Земли. Самое раннее зарегистрированное современное промышленное применение геотермальной энергии было в 1904 году. Итальянский ученый Пьеро Джинори Конти изобрел первую геотермальную электростанцию, в которой для выработки энергии использовался пар.

С годами использование геотермальной энергии постепенно увеличивалось, но ее глобальная привлекательность все еще остается очень низкой. Геотермальный информационный бюллетень 2019 года показал, что геотермальная энергия составляет 0,4% чистой выработки электроэнергии в Соединенных Штатах, которые также являются крупнейшим потребителем и производителем геотермальной энергии.

Геотермальная энергия — это чистый и возобновляемый источник энергии с нулевыми значительными выбросами. Это постоянный источник энергии, который не зависит от ветра или солнца, что отличает его от других возобновляемых источников, таких как солнечная и ветровая энергия. Тем не менее, геотермальная энергия во всем мире уступает по эффективности ветровой и солнечной энергии.

Анализируя отчет Geothermal Energy 2018, низкая производительность геотермальной отрасли объясняется тем фактом, что ресурсы геотермальной энергии очень ограничены, и они, кроме того, ограничены только определенными регионами по всему миру, особенно тектонически активными регионами. Эти ограничения препятствовали глобальному росту геотермальной энергетики.

Биомасса Энергия

Биомасса — это любое органическое вещество, которое можно использовать в качестве источника энергии. Он считается возобновляемым источником энергии, потому что его внутренняя энергия исходит от солнца и потому, что он может восстанавливаться за относительно короткий период времени. Растения поглощают углекислый газ из атмосферы, затем превращают его в биомассу, когда они умирают, углекислый газ возвращается в атмосферу, и цикл продолжается.

Технологии и установки, использующие биомассу, разработанные и используемые сегодня, относительно новы по сравнению с другими технологиями возобновляемой энергии. Однако использование энергии биомассы — это не новое энергетическое открытие.

Биомасса использовалась в качестве источника тепловой энергии с момента первого открытия человеком огня. Во всем мире люди по-прежнему сжигают дрова в качестве основного источника тепла зимой, для приготовления пищи и других занятий.

Биотопливо, производимое из биомассы, также существует уже давно, но дешевый и доступный бензин и дизельное топливо долгое время сдерживали рост индустрии биотоплива. Скачки мировых цен на нефть и негативное воздействие ископаемого топлива на окружающую среду привели к росту альтернативных возобновляемых и более чистых источников энергии, таких как биомасса.

В глобальном масштабе отрасль энергии из биомассы растет, согласно отчету МЭА за 2019 год, на долю биомассы приходится 2,5% мирового производства электроэнергии, что выше, чем глобальное производство электроэнергии солнечной энергией. Фактически, на биомассу приходится 35% потребления первичной энергии в развивающихся странах за счет дров.

Хотя энергия биомассы является возобновляемой, она имеет некоторые негативные последствия для окружающей среды. Производство энергии из биомассы требует использования других природных ресурсов, таких как вода, растения и доступные земли. Использование этих ресурсов создает другие проблемы для окружающей среды. Энергетическое топливо из биомассы также подвержено загрязнению, деградации земель и обезлесению.

Биомасса — это чистый и возобновляемый источник энергии, но отмеченные проблемы привели к относительно медленному росту индустрии биомассы. Растущий интерес к охране окружающей среды также означает, что будущий рост индустрии биомассы будет строго регулироваться и измеряться.

Энергия топливных элементов

Топливный элемент — это электрохимический элемент, который преобразует химическую энергию топлива, такого как водород и окислитель, в электричество. В отличие от других распространенных технологий сжигания, которые сжигают топливо для производства энергии, топливные элементы подвергаются химическому процессу, который преобразует богатую топливом энергию в электричество. Топливный элемент не нужно заряжать, стабильная подача топлива — это все, что требуется элементу для выработки энергии.

Эти топливные элементы считаются возобновляемыми источниками энергии из-за большого количества природных газов, таких как водород. Они также считаются чистыми источниками энергии, потому что единственными побочными продуктами их сгорания являются электричество, тепло и вода.

Некоторые общие топливные элементы включают в себя;

• Щелочные или водородные топливные элементы (AFC), в основном используемые в контролируемых аэрокосмических и подводных приложениях.
• Топливные элементы с расплавленным карбонатом (MCFC), используемые в стационарных приложениях, обеспечивают высококачественное первичное и резервное питание для коммунальных предприятий и предприятий.
• Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), используемые в генераторах энергии для домов и иногда в крупных учреждениях,
• В топливных элементах с прямым метанолом (DMFC) используется широкий диапазон от небольшой электроники, такой как зарядные устройства для аккумуляторов и ноутбуки, до более крупных приложений, таких как стационарные источники питания для резервного питания телекоммуникаций.
• Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (PAFC), используемые в крупных учреждениях, таких как больницы, школы, производственные и технологические центры.
• Протонообменные мембранные топливные элементы (PEMFC), обычно используемые в автомобилях, телекоммуникациях и центрах обработки данных.

Однако стоимость и долговечность топливных элементов ограничивают их глобальную и коммерческую привлекательность. Они очень дороги по сравнению с другими традиционными энергетическими технологиями, а их долговечность ограничивает количество применений, в которых могут использоваться топливные элементы. Кроме того, известно, что некоторые виды топлива, используемые в ячейках, производят парниковые газы, хотя и в меньших количествах по сравнению с ископаемым топливом.

Возможно, что в будущем водородные топливные элементы могут заменить нефтяное топливо, которое сегодня используется в большинстве транспортных средств. Многие производители автомобилей активно исследуют и разрабатывают технологии топливных элементов для транспортных средств.

По состоянию на 2020 год на долю энергии, производимой на топливных элементах, приходится менее 1% мирового производства энергии.

Ядерная энергия

Ядерная энергия считается чистым источником энергии, однако, классифицируя его в качестве источника возобновляемой энергии до сих пор остается спорным. Хотя ядерная энергия сама по себе является возобновляемым источником энергии, материал, используемый на атомных электростанциях уран U-235 не возобновляемый.

Атомные электростанции производят электричество путем ядерного деления или расщепления атомов, в этом процессе выделяется тепло, которое используется для нагрева воды и производства пара. Пар приводит в действие турбины, которые вращают генераторы, а затем генераторы производят электричество. Производство ядерной энергии не загрязняет воздух и не выделяет парниковые газы.

По данным GEH Nuclear Energy, одна урановая таблетка, немного больше ластика карандаша, содержит такую ​​же энергию, как тонна угля, 3 барреля нефти или 17 000 кубических футов природного газа. Каждая таблетка уранового топлива обеспечивает до пяти лет тепла для выработки электроэнергии. А поскольку уран является одним из самых распространенных металлов в мире, он может служить топливом для коммерческих атомных станций мира для будущих поколений.

В настоящее время ядерная энергия обеспечивает 12 процентов мировой электроэнергии и примерно 20 процентов энергии в Соединенных Штатах. По состоянию на 2018 год в 30 странах мира эксплуатируется 450 ядерных реакторов для производства электроэнергии.

Однако глобальная привлекательность ядерной энергии весьма фрагментирована. Количество ядерной энергии, произведенной из одного грамма уран U-235 достаточно, чтобы вызвать тысячи человеческих жертв. Именно по этой причине ядерная энергия обычно используется для производства оружия массового поражения. Разрушение Хиросимы и Нагасаки во время Второй мировой войны является свидетельством разрушительного характера ядерной энергии.

Сегодня производство ядерной энергии строго регулируется. Несмотря на то, что на ядерную энергию приходится 12% мирового производства электроэнергии, атомные станции расположены в 30 из 195 стран. Ядерная технология также чрезвычайно чувствительна и дорога, разработка такой технологии тщательно изучается Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ).

Производство ядерной энергии также чрезвычайно опасно. МАГАТЭ разработало большое количество инструментов и методологий, направленных на оказание помощи регулирующим органам ядерных установок. Последствия ядерной катастрофы обычно считаются глобальной проблемой. Воздействие ядерной радиации от атомных электростанций обычно ощущается окружающей средой в течение многих лет. Ядерные катастрофы в Чернобыле и Фукусиме привели к далеко идущим и долгосрочным экологическим последствиям, которые будут ощущаться еще долгие годы.

Именно по этим причинам ядерная энергия будет продолжать расти низкими, строго регулируемыми и управляемыми темпами.

Будущие перспективы чистой энергии

Установки чистой энергии продолжают расти. Увеличение объясняется значительным падением стоимости производства чистой энергии, которое произошло за последние пару лет. Несмотря на то, что первоначальные затраты на установку все еще относительно высоки, большинство стран продемонстрировали готовность инвестировать в возобновляемые источники энергии, которые имеют более дешевые и долгосрочные выгоды. Области применения и использования возобновляемых источников энергии расширились и больше не ограничиваются производством электроэнергии, это предоставило новые решения для мобильности и энергетической безопасности во всем мире.

Однако рост чистой энергии не растет такими темпами, которые могли бы обратить вспять или смягчить негативные экологические проблемы, существующие сегодня. Это объясняется меньшей глобальной привлекательностью и доступностью чистой энергии по сравнению с ископаемым топливом. По состоянию на 2017 год на ископаемое топливо приходилось 95% энергии, используемой в мировом транспортном секторе, и 81% потребляемой энергии в мире. Большинство развитых стран могут позволить себе постепенно переводить свое энергопотребление с ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии и ликвидировать этот разрыв. Примерно 15% стран сегодня считаются развитыми, это означает, что 85% стран мира все еще развивают свою экономику. Перевод их энергопотребления с невозобновляемых на возобновляемые источники энергии — не только дорогостоящее предприятие, но и замедляет процесс их развития. Многие страны также построены на экспорте ископаемого топлива, переход на возобновляемые источники энергии отрицательно скажется на их экономике.

Стоимость чистой энергии может быть выделена как главный источник озабоченности в связи с ее глобальной привлекательностью. Если стоимость возобновляемых источников энергии продолжит снижаться, темпы роста сектора чистой энергии также будут расти. Надеюсь, мы сможем достичь точки, когда более чистые и возобновляемые источники энергии станут доминирующими источниками энергии в мире.