Текущий интерес к коммерческой зеленой энергетике в странах мира

Общественность спрашивает, существует ли зеленая энергия на самом деле.

Это зависит от того, кого спрашивать и что подразумевается под реальной зеленой энергией.

Электричество, получаемое из любого возобновляемого источника энергии, считается “зеленым” из-за незначительного воздействия на выбросы парниковых газов.

Что касается коммерческой зеленой энергии, то в настоящее время этот список включает гидроэнергетику, ветер, биомассу, геотермальную и солнечную энергию.

В 1970-х и 1980-х годах интерес к зеленой энергетике был обусловлен целью замены ископаемого топлива, чтобы свести к минимуму зависимость от нефти.

Теперь есть более широкая цель: свести к минимуму выбросы диоксида углерода или двуокиси углерода CO2 (наиболее распространенный газ способствующий глобальному потеплению), который возникает в результате сжигания ископаемого топлива.

Всего 28 000 ТВт (тераватт – один триллион ватт) в мире электроэнергии вырабатывается.

В России порядка 1 100 ТВт, что составляет порядка 4 % мировой выработки электроэнергии среди всех стран мира.  (30% Китай, 15% США).

Хотя вклад возобновляемых источников энергии в производство электроэнергии невелик, за исключением гидроэнергетики, их проникновение на рынок растет гораздо более быстрыми темпами чем от традиционных источников.зеленая энергия

Рыночный потенциал возобновляемых ресурсов: зеленая гидроэнергетика

За последние 100 лет гидроэлектростанции стали самым зрелым возобновляемым источником электроэнергии во всем мире.

Сегодня зеленая энергия от гидроэлектростанций  вырабатывает 4 200 ТВт, что составляют около 15 % мировых мощностей по производству электроэнергии.

Принцип добычи зеленой энергии от гидропроектов

Возможности для новых и крупных гидропроектов ограничены в большинстве развитых стран, прежде всего потому, что большинство экономически эксплуатируемых объектов уже разработаны. В развивающихся странах существует много потенциальных гидроэлектростанций, но озабоченность по поводу ущерба окружающей среде и риска для коренных народов накладывает серьезные ограничения на строительство многих крупных гидроэлектростанций.

Гидроэлектростанции делятся на две категории: те, которые образуют плотину по течению перед генерирующей станцией, и те, которые полагаются только на речной поток.

Электрические генераторы имеют те же принципы работы, что и их аналоги на электростанциях, работающих на ископаемом топливе, за исключением того, что они обычно крупнее. Разница в том, что вращает вал. Вода течет мимо турбины, заставляя ее вращаться подобно вертушке на ветру. Затем вода продолжает выходить из нижней части турбинного водовода и выпускается обратно в реку. После потери части своей кинетической энергии при вращении турбины вода сбрасывается, чтобы продолжить свой поток вниз по реке.

Ветер

Ветер является следующим по популярности источником зеленой энергии во всем мире.  Несмотря на то, что концепция механической энергии от энергии ветра имеет многовековую историю, коммерческое ветровое электричество было произведено только в течение последних трех десятилетий и стало коммерчески конкурентоспособным только в последние годы.

Мировая мощность ветроэнергетики составляет порядка  1,0 ТВт, из которых около 0,38 ТВт только в одном Китае или 30% от общего количества ветроэнергетики.

Эти ветроэнергетические проекты производят достаточно электроэнергии, чтобы удовлетворить внутренние потребности 50 миллионов человек. Потенциал Китая  в конце 2020 года позволил построить более 60 крупных ветряных электростанций что позволило выйти на первое место по мощности ветроэнергетики в мире.

Современные ветряные турбины работают с коэффициентом мощности от 35 до 40% в хороших районах ветроресурсов. За последние 20 лет стоимость электроэнергии, вырабатываемой ветром, снизилась примерно на 90%. Сегодня большие новые ветроэлектростанции на ветровых площадках вырабатывают электроэнергию по цене от 4 до 6 центов/кВтч (в долларах США). Это ставит стоимость электроэнергии в диапазон наиболее эффективных источников, который конкурируют с затратами на электроэнергию от новых традиционных электростанций. Ветроэнергетика в мире развивается ускоренными темпами.

Принцип добычи зеленой энергии от ветра

Ветротурбины можно разделить на две основные группы: ветротурбины с горизонтальной  и ветротурбины с вертикальной осью.

Хотя существует несколько различных производителей ветрогенераторов, каждый из которых имеет свои собственные конкретные конструкции и области применения, общая конструкция довольно последовательна. Основные компоненты – это гондола (в которой находятся коробка передач, генератор и связанные с ними органы управления) установленная на башне. Гондола находится под контролем рыскания и может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, чтобы всегда быть как можно ближе передней стороной к набегающему ветру. Угол тангажа лопастей ротора можно регулировать, чтобы использовать больше или меньше ветра, таким образом оптимизируя захват энергии и контролируя скорость в случае чрезмерного ветра. Ступица и лопасти соединены с низкоскоростным валом, приводящим в движение коробку передач. В коробке передач частота вращения вала увеличивается, чтобы привести генератор в целом к скорости где-то между 1200 и 1800 оборотами. Высокоскоростной вал соединяет коробку передач с генератором. Значительные конструкторские усилия были направлены на  разработку лопастей, чтобы улучшить количество зеленой энергии, извлекаемой из ветра.

Биомасса

Растительные вещества, такие как деревья, травы, сельскохозяйственные культуры или другие биологические материалы, могут быть преобразованы в тепло, а затем в пар, а потом электричество. В качестве альтернативы химическое превращение биологических материалов приводит к образованию метана, который может быть использован для производства электроэнергии в газовых турбинах.

С расчетной 20 ГВт годовой установленной генерирующей мощностью во всем мире, энергия биомассы является третьим по величине источником возобновляемой электроэнергии после гидроэнергии и ветра.

Соединенные Штаты являются крупнейшим в мире генератором электроэнергии на биомассе, производящим в настоящее время более 9 ГВт. Ожидается, что сохранится потребность в местной промышленной энергетике, сокращении отходов, ужесточении охраны окружающей среды.

Регулирование и растущий потребительский спрос на зеленую энергию обеспечат достаточную мотивацию для роста этой отрасли.

Ожидается, что к 2025 году мощность производства электроэнергии на биомассе вырастет до более чем 30 000 МВт, а развивающиеся страны обеспечат готовый рынок сбыта благодаря наличию сырья по экономически выгодным ценам.

Электричество из биомассы

Биомасса может быть преобразована в электричество (или тепло) в одном из нескольких процессов.

Большая часть электроэнергии из биомассы вырабатывается с помощью парового цикла, где материал биомассы сначала преобразуется в пар в котле. Полученный пар затем используется для вращения турбины, которая соединена с генератором. Биомасса также может быть использована вместе с углем для производства электроэнергии на существующей электростанции. Кофиринг, как известно, самый экономичный краткосрочный вариант внедрения новой генерации электроэнергии на биомассе и снижения выбросов в атмосферу от угольных электростанций.

Другой альтернативой является превращение твердой биомассы в топливный газ. Затем топливный газ может быть использован в поршневом двигателе, высокоэффективном газотурбинном генераторе или топливном элементе.

С появлением высокоэффективных турбинных систем и топливных элементов газификаторы биомассы в наши дни привлекают все больше внимания. Газ из биомассы также может быть интегрирован в промышленные производственные установки для нужд энергетики, тепла и охлаждения.

Сегодня наиболее экономичное топливо из биомассы для производства электроэнергии получают из органических побочных продуктов производства продуктов питания, волокон и леса, а также из навоза животных. Примеры включают опилки, рисовую шелуху и багассу, которая является остатком, оставшимся после извлечения сока из сахарного тростника.

Геотермальное электричество

Тепло, содержащееся в ядре Земли, может быть использовано для производства электричества через пар. В то время как это богатый источник, только очень небольшая часть может быть преобразована коммерчески в электричество с помощью современных технологий.

По состоянию на начало 2021 года мощность производства электроэнергии из геотермальных источников во всем мире составила 12 000 МВт.

За последние 20 лет геотермальная мощность увеличилась вдвое, а за последние 5 лет – на 17%. На Россию приходится 0,1 %. Больше всего геотермальных источников на Филиппинах ( порядка 2 МВт) и Исландию на которую приходится более 30% всей энергии этой маленькой страны или 0,8 МВт.

Принцип получения энергии от геотермальных источников

Геотермальные электростанции отличаются высокой капиталоемкостью, так как необходимо заранее пробурить достаточное количество скважин для подачи пара, чтобы обеспечить полную мощность станции при запуске. Но эти скважины будут продолжать обеспечивать теплом в течение 20 лет, что приводит к низким эксплуатационным расходам.

Новая и значительная возможность для развития геотермальной энергетики появляется по мере того, как рынок углеродных кредитов формируется в ответ на проблемы выбросов парниковых газов. Торговля углеродными кредитами, как только она будет реализована, позволит очевидным экологическим преимуществам (геотермальной, солнечной, ветровой, гидроэнергетической, биомассы и т. д.) быть реализованными разработчиками геотермальной энергии в качестве финансовой ценности.

Электричество от солнечного излучения

В конце 2020 года общемировая солнечная фотоэлектрическая мощность составляла чуть более  0,7 ТВт составив примерно 2,6% от общего количества электроэнергии.

Электричество от солнечного излучения поступает в двух формах: тепловое и фотоэлектрическое. Обе эти системы сегодня производят коммерческую электроэнергию по всему миру как солнечную генерацию. Малые и экспериментальные солнечные тепловые электростанции по всему миру генерируют десятки МВт.

Тепловой принцип

Солнечная тепловая система использует концентрацию солнечного света в фокальной точке, где находится либо тепловой двигатель, либо теплопередающее устройство.

Солнечный свет концентрируется на многих приемниках, распределенных по всему полю. Солнечная зеленая энергия собирается из отдельных коллекторов, прежде чем она может быть отправлена потребителю.

Фотоэлектрический принцип

Фотоэлектрический вариант обеспечивает больший потенциал для роста во всем мире благодаря простоте технологии и гибкости размеров. Существует множество различных видов фотоэлектрических технологий, доступных на рынке и находящихся в стадии исследований, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны.

Основной единицей фотоэлектрической панели является ячейка. Основным материалом ячейки является какой-то полупроводниковый материал. Как правило, полупроводник – это то, что дифференцирует такие типы ячеек, как арсенид галлия (GaAs), кристаллический кремний, аморфный кремний и другие. Все они обозначают различные типы или формы полупроводниковых материалов. Фотоэлектрическая ячейка состоит из полупроводников как p -, так и n-типа. Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, часть светового спектра передает достаточно энергии для создания электронно-дырочных пар в полупроводниковом материале. Потенциальный барьер в ячейке создается путем образования соединения между разнородно легированными полупроводниковыми слоями. Это разделяет световые носители (то есть электроны и дырки) как фотовольтаический эффект, что приводит к индуцированному напряжению.

Доступный ток является функцией площади ячейки и интенсивности света. Электричество собирается и транспортируется металлическими контактами, расположенными на обеих поверхностях ячейки. Фотоэлектрические элементы формируются в модули путем соединения их последовательно и параллельно для того, чтобы получить больше тока и напряжения. Для еще большей мощности модули могут быть соединены в большие группы, образуя солнечные панели. Электричество постоянного тока, генерируемое фотоэлектрической системой, обычно пропускается через силовой кондиционер для регулирования напряжения и мощности, а также для преобразования в электричество переменного тока. Два основных типа солнечных элементов – это кристаллические кремниевые и аморфные кремниевые солнечные элементы.

Коммерчески доступные фотоэлектрические модули могут преобразовывать солнечный свет в электричество с эффективностью от 6 до 20% в настоящее время

Зеленая сила как преобладающее направление

По мере того как электроэнергетические компании переходят к более конкурентной среде, все большее число компаний предлагают зеленый электроэнергетический продукт как средство дифференциации своего сервиса и завоевания лояльности клиентов. Во многих странах правительства предлагают премиальный продукт зеленой электроэнергии, который включает в себя энергию из возобновляемых источников в качестве основного компонента.

От небольших инициатив, нацеленных на жилых клиентов, до крупных проектов, зеленая энергия становится привычной для клиентов, и многие считают, что такие программы могут в конечном итоге изменить глобальный энергетический портфель.

Существует общественный спрос на зеленую энергию, и некоторые люди готовы заплатить за это премиальную цену. Это показывает, что 50% опрошенных потребителей готовы платить дополнительно 15 долларов США в месяц за получение зеленой электроэнергии.

Еще одним фактором, влияющим на готовность потребителей рассматривать зеленую энергетику, является растущая осведомленность о внешних затратах на производство электроэнергии из традиционных источников.

Существуют значительные внешние затраты на электроэнергию из ископаемого топлива, которые когда-нибудь должны быть приняты во внимание, поскольку опасения по поводу глобального потепления становятся реальными.

Технологии возобновляемых источников или зеленая энергия займет в будущем большую долю в структуре производства электроэнергии, чтобы свести к минимуму зависимость от нефти и выбросов CO2.