8 источников возобновляемой энергии, которые могут заменить нефть и газ

1. Солнечная энергия

Когда речь заходит о возобновляемых источниках, в первую очередь все вспоминают о солнечной энергии и панелях для её преобразования. Существуют два вида подобных генераторов — фотогальванические и концентрированного типа.

Первые работают так: когда проводник или полупроводник в батарее нагревается за счёт поглощения солнечного излучения, между холодными и тёплыми областями создаётся разность потенциалов, и получается электрический ток.

Генераторы же концентрированного типа собирают свет, он нагревает жидкость, та превращается в пар и вырабатывает электричество, вращая турбины. Принцип работы подобных панелей выгодно отличается тем, что позволяет накапливать тепло, а значит, они остаются ограниченно эффективными и в ночное время.

Помимо выработки электричества, солнечный свет может также применяться для нагрева жидкости напрямую — например, в бассейнах и душевых. Расположенный на крыше экологичного дома большой бак позволит неплохо сэкономить на электроэнергии.

2. Биотопливо

Биомасса — это материал, полученный из живых организмов, чаще всего — растений или водорослей. Они живут за счёт солнечной энергии и воды, размножаются эффективно, характер имеют покладистый.

Самый распространённый источник биомассы на сегодняшний момент — древесина, то есть мёртвые деревья, ветки и пни, обрезки досок, древесная щепа и прочие отходы производства. А ещё сельскохозяйственные культуры — просо, конопля, кукуруза, соя, мискантус, сорго, сахарный тростник, бамбук. Кроме того, отличным источником биомассы могут стать водоросли, потому что они растут очень быстро.

Преимущество энергетики, построенной на биомассе, — эффективная утилизация отходов. Из всего, что люди не могут или не успевают употребить в пищу, можно получить топливо. Уже сейчас его производство неплохо налажено в США и Бразилии, а также в Юго‑Восточной Азии.

Правда, переход на биотопливо не решает проблему глобального потепления, потому что его всё равно приходится сжигать, как и нефть и газ. Но, по крайней мере, оно растёт само и не заканчивается, как полезные ископаемые.

3. Океаническая энергия

Океанические волны, приливы и течения создают огромный запас кинетической энергии — даже жалко, что столько добра зря пропадает. Но на самом деле некоторые страны уже научились извлекать из всего этого пользу — например, в Великобритании построили самый большой в мире волновой генератор Oyster.

Принцип действия таких устройств следующий: волны двигают поплавки, те приводят в движение поршневой насос. Он, в свою очередь, гонит морскую воду на берег по трубе, где она крутит ротор гидроэлектрогенератора.

Помимо береговых приливных электростанций, есть и проекты подводных модификаций. Работать они будут, как обычный ветряк: огромная мельница с лопастями закрепляется на морском дне, мощное течение крутит вал в генераторе.

Дело в том, что Солнце постоянно нагревает водную поверхность Земли — по сути, мировой океан представляет собой огромный аккумулятор. Подсчитано, что даже 5% производимого им тепла обеспечит генерацию 10 000 ГВт электричества.

Помогут в этом гидротермальные океанические электростанции. Работают они так: спускаем глубоко на дно океана огромную трубу, которая будет забирать оттуда воду. После попадания в теплообменники с тёплой жидкостью у поверхности океана в условиях сниженного давления холодная вода начинает кипеть не при 100 °С, как обычно, а всего при 27 °С. Образуется холодный пар, он вращает турбины, и мы получаем электроэнергию.

В настоящее время такие экспериментальные установки расположены в Японии и на Гавайях.

4. Ветряная энергия

Мельницы изобрели по крайней мере в 700–900 годах нашей эры в Персии, а привычный всем облик они получили в Средневековой Европе. Почти 600 лет ветер там был главным источником энергии, пока человечество массово не перешло на уголь и паровые машины.

Первую в истории ветряную электростанцию придумал в июле 1887 года профессор Джеймс Блит из колледжа Андерсона в Глазго. Но местные жители отказались её использовать, сочтя электроэнергию «выдумкой Сатаны».

Сейчас ветряная энергия снова становится популярной. Она используется в половине стран мира. Дания, например, получает благодаря ей 56% потребляемого электричества, Уругвай — 40%, Литва — 36%, Ирландия — 35%, Великобритания — 24%. А ещё ветряки массово применяются в США, Китае, Португалии, Германии, Испании, странах Латинской Америки и в Африке.

Ветряки хороши тем, что позволяют создавать электричество из воздуха там, куда тянуть провода нецелесообразно. Кроме того, они работают эффективнее ночью и зимой, когда солнечные батареи, наоборот, теряют в мощности. Так что два этих источника энергии дополняют друг друга.

Да, у ветряков есть и некоторые минусы: их лопасти иногда сбивают птиц в полёте, а опоры так трясутся, что червяки вылезают из‑под земли. Однако исследователи Национального университета Сингапура провели сравнение и пришли к выводу, что эти генераторы ответственны за несоизмеримо меньшее число смертей пернатых, чем станции, работающие на ископаемом топливе.

5. Статическое электричество водяного пара

Новый экзотический способ вырабатывать электричество, найденный в 2020 году учёными из Тель‑Авивского университета. Всем известно, что во время гроз образуются молнии. Они получаются, когда частицы водяного пара разной плотности — от крошечных капелек до льдинок — сталкиваются между собой и наэлектризовывают среду вокруг себя.

Учёные повторили этот процесс в лаборатории и обнаружили, что если влажность воздуха больше 60%, то между частицами уже может зарождаться статическое электричество. А если построить достаточно высокие металлические столбы, они смогут буквально заряжаться от водяного пара в воздухе. В итоге от них можно провести провода и запитывать инфраструктуру.

Конечно, мегаполис электричеством из водяного пара вряд ли осветишь. Но это очень перспективный способ получения дешёвой энергии для развивающихся тропических стран, где высокая влажность.

6. Геотермальная энергия

Учёные подсчитали, что при остывании ядра Земли на 1 °C выделится в 10 000 раз больше энергии, чем содержится во всём разведанном ископаемом топливе. А оно, на секундочку, нагрето до 6 000 °C и остывает на 300–500 °C за миллиард лет.

Геотермальные источники уже сейчас питают электростанции в Исландии, Новой Зеландии, Италии, Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста‑Рике, на Филиппинах, в Индонезии, Китае, Кении и Японии.

В коммерческих целях эксплуатируется лишь небольшая часть геотермальных ресурсов планеты — чаще всего такие станции располагаются на границах тектонических плит. Но если поставить на поток бурение скважин к мантии планеты, можно будет черпать энергию просто из‑под земли вообще где угодно.

Правда, такой проект пока существует только в теории. Копаем скважину к мантии Земли, заливаем туда жидкость для гидроразрыва пород и получаем искусственный горячий водоносный горизонт. А далее ставим сверху турбины и делаем электричество.

Единственное но: понадобится реально огромная дыра — около 10 километров глубиной.

7. Искусственный фотосинтез

Фотосинтез — это процесс, протекающий в растительных клетках, во время которого вода и углекислый газ под воздействием солнечного света превращаются в кислород и глюкозу. Вот только повторить его можно и в лабораторных условиях — без помощи растений.

Учёные США, Швеции и Японии разрабатывают коммерчески выгодные методы искусственного фотосинтеза, которые позволят из углекислоты и воды создавать топливо, смолы, пластмассы и волокно. И если исследования увенчаются успехом, мы сможем делать горючее и материалы для строительства буквально из воздуха.

Кроме того, необязательно полностью отказываться от участия в процессе растений и водных организмов. Например, разводить фотосинтезирующие сине‑зелёные водоросли, а потом перегонять их в биопластик и биотопливо — тоже вполне приемлемый вариант.

8. Инфракрасное тепловое излучение Земли

Солнечные лучи падают на часть планеты и нагревают поверхность и атмосферу. Другая же сторона Земли в это время, наоборот, отдаёт накопленную за день энергию в виде инфракрасного теплового излучения. Планета производит 10¹⁷ Вт тепла, и всё это богатство бессмысленно рассеивается в космосе.

Австралийские инженеры изобрели устройство под названием терморадиационный диод, которое вырабатывает энергию не при нагреве, а при остывании. И если создать довольно крупную его модель, которая будет аккумулировать тепло днём и отдавать его ночью, получится нечто вроде солнечной батареи, работающей круглые сутки.

А если изготовить фотоэлементы, улавливающие инфракрасный свет (такие уже есть в приборах ночного видения), и использовать их для поглощения теплового излучения планеты, получится так называемый сборщик эмиссионной энергии. И он позволит делать электричество по ночам просто из воздуха.

Панелями, улавливающими тепловое излучение поверхности планеты ночью и рассеянный ультрафиолет солнечного света днём, можно будет покрыть все высотные здания в мегаполисах и получить неплохой дополнительный источник электроэнергии.

Кроме того, такие сборщики эмиссионной энергии, когда они не нужны, можно было бы трансформировать в башни пассивного радиационного охлаждения (PDRC) — они более эффективно отдавали бы тепло в космос, чем поверхность планеты. Это помогло бы спасти Землю от глобального потепления.