Что значит чистая энергетика
15 фактов о чистой энергии, которая позволит людям сохранить свою планету
Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.
1. Солнце и ветер
Walmart и Microsoft вкладывают большие инвестиции в возобновляемую и чистую энергию, такую как ветровая и солнечная энергия. Не зависящая от ископаемого топлива и колебания цен энергия поможет компаниям иметь весомые преимущества в будущем.
2. Уголь под запретом
Европейский союз, за исключением Польши и Греции, заявил, что к 2020 году его члены больше не будут производить угольные электростанции. Это было довольно неожиданное заявление и ярко выраженный призыв к использованию чистых источников энергии.
3. Ветряки
Стандартная ветряная турбина может обеспечивать электричеством до 300 домов. Но недавно немецкая компания построила турбину, которая может обеспечить до 4 000 домов.
4. Солнечная энергия
Технологические достижения в области солнечной энергии становятся все более эффективными и экономически выгодными, не говоря уже о том, что они не загрязняют окружающую среду. Поэтому солнечная энергия, вероятно, станет основным источником чистой энергии в будущем.
По данным природоохранной группы WWF, чистая энергия может удовлетворить 95% мировых энергетических потребностей к 2050 году. Также по мере роста популярности чистой энергии начало снижаться использование ядерной энергии из-за роста затрат и проблем безопасности. С 2006 по 2014 год выработка ядерной энергии сократилась на 14%.
6. Солнце как источник энергии
Всем известно, что Солнце вырабатывает огромное количество энергии. Если бы человечество смогло воспользоваться всей ее мощью, то всего за один час можно было бы обеспечить потребности всего мира в энергии на целый год.
7. Возобновляемые источники энергии
Чистая энергия отлично подходит для создания рабочих мест. Согласно докладу Фонда защиты окружающей среды, возобновляемые источники энергии превосходят остальные отрасли экономики США в создании рабочих мест на 12%.
8. Вода как главный ресурс планеты
Сегодня сохранение воды важнее, чем когда-либо. К счастью, чистая энергия, такая как ветровая и солнечная энергия, потребляет очень мало воды. Для производства солнечной энергии, достаточной для питания 1000 домов, нужно 100 литров воды, ветряной энергии — ноль, а энергии с ископаемого топлива — 2 600 литров воды.
9. Чистая энергия
Чистая энергия помогает устранить зависимость от ископаемого топлива, создавая экономическую стабильность. При этом удается избегать излишне высоких цен на нефть.
10. Ураганы и не только
Сегодня иногда создается впечатление, что природа мстит человечеству. Ураганы и другие разрушительные природные явления стали намного более частыми и суровыми. Чистые источники энергии является более стабильными, чем уголь, поскольку они равномерно распределены по всему миру, а устройства для ее выработки намного менее подвержены стихии.
11. Электрокары как будущее автопрома
Электрические автомобили имеют ряд преимуществ. Помимо того, что они помогают сохранять воздух более чистым, электромобили меньше зависят от ископаемых видов топлива — их можно заряжать не только на специализированных станциях, но и дома.
12. Бесконечная энергия
Все знают, что ископаемое топливо невозобновляемо, что неизбежно сделает его более дорогим. Чистая энергия ветра и солнца бесконечна, поэтому ее стоимость будет стабильной, а также не придется беспокоиться о нехватке энергии.
13. Самая большая в мире электростанция
Самая большая солнечная электростанция находится в пустыне Мохаве и принадлежит NRG Solar, Google и BrightStar Energy. Ее панели раскинулись более чем на 3500 гектаров земли.
14. Гидроэнергетика
Гидроэнергетика также является хорошим источником чистой энергии. Только в США благодаря выработке гидроэнергии каждый год в атмосферу выбрасывается меньше на 160 миллионов тонн углерода.
15. Переработка биогаза
Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:
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:
Существует ли чистая энергия, возможно, некоторое малое время перед тем, как превратиться в частицу или фотон? Или это всего лишь удобная математическая абстракция, эквивалент, используемый нами в физике?
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.
Электронные переходы в атоме водорода, совместно с длинами волн получающихся фотонов, иллюстрация энергии связи
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].
Обратная сторона чистой энергии
С ловосочетание «чистая энергия» обычно вызывает в воображении светлые, чистые образы тёплого солнца и свежего ветра. Но если солнечный свет и ветер очевидно чисты, то инфраструктура, нужная для их использования, нет. Отнюдь нет. Переход на возобновляемые источники энергии требует резкого увеличения добычи металлов и редкоземельных минералов с реальными экологическими и социальными издержками.
Да, нам нужен быстрый переход к возобновляемым источникам энергии, но учёные предупреждают, что мы не можем продолжать увеличивать потребление энергии существующими темпами.
Нет чистой энергии. Единственная действительно чистая энергия — это меньше энергии.
В 2017 году Всемирный банк выпустил оставшийся малозамеченным отчёт, в котором впервые был представлен всесторонний взгляд на этот вопрос. Он моделирует увеличение добычи материалов, которое потребуется для строительства нужного количества солнечных и ветровых электростанций, чтобы к 2050 году производить около 7 тераватт электроэнергии в год. Этого достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией примерно половину мировой экономики. Удвоив показатели Всемирного банка, мы можем оценить, что потребуется, чтобы полностью сократить выбросы до нуля, и результаты ошеломляют: 34 миллиона метрических тонн меди, 40 миллионов тонн свинца, 50 миллионов тонн цинка, 162 миллиона тонн алюминия и не менее 4,8 миллиарда тонн железа.
В некоторых случаях переход на возобновляемые источники энергии потребует значительного увеличения существующих уровней добычи. Для неодима — важнейшего элемента ветряных турбин — добыча должна возрасти почти на 35 % по сравнению с нынешними уровнями. Максимальные оценки, представленные Всемирным банком, предполагают, что она может удвоиться.
То же самое относится и к серебру, которое имеет решающее значение для солнечных батарей. Добыча серебра вырастет на 38 %, а возможно, и на 105 %. Спрос на индий, также необходимый для солнечной технологии, увеличится более чем в три раза, но может резко вырасти на 920 %.
Кроме того, есть ещё батареи, которые нам понадобятся для хранения энергии. Чтобы поддерживать подачу энергии, когда солнце не светит, а ветер не дует, потребуются огромные батареи на уровне сети. Это означает 40 миллионов тонн лития, увеличение добычи на ошеломляющие 2700 % по сравнению с нынешним уровнем.
Это только электроэнергия. Нам также надо подумать о транспортных средствах. В этом году группа ведущих британских учёных направила письмо в Комитет по изменению климата Великобритании с изложением своей озабоченности по поводу экологического воздействия электромобилей. Конечно, они согласны с тем, что нам необходимо прекратить продажу и использование двигателей внутреннего сгорания. Но они отметили, что, если привычки потребления не изменятся, замена прогнозируемого в мире парка из 2 миллиардов автомобилей потребует взрывного увеличения добычи: глобальная ежегодная добыча неодима и диспрозия вырастет ещё на 70 %, ежегодная добыча меди — более чем в два раза, а добыча кобальта должна будет увеличиться почти в четыре раза, и это для всего периода с настоящего времени до 2050 года.
Вопрос не в том, что у нас кончатся основные полезные ископаемые, хотя это действительно может стать проблемой. Реальная проблема заключается в том, что усугубится уже существующий кризис чрезмерной добычи.
Добыча полезных ископаемых стала одним из главных факторов обезлесения, разрушения экосистем и утраты биоразнообразия во всем мире.
По оценкам экологов, даже при нынешних темпах глобального использования материалов мы превышаем «устойчивые уровни» на 82 %.
Возьмем, к примеру, серебро. В Мексике находится Пеньяскито, один из крупнейших в мире серебряных рудников. Занимая почти 40 квадратных миль, он поражает своими масштабами: разросшийся в горах комплекс открытых карьеров, окружённый двумя мусорными свалками, каждая длиной в милю, и хвостохранилище, заполненное токсичным илом, удерживаемым 7-мильной дамбой высотой с 50-этажный небоскрёб. Этот рудник будет добывать 11 тыс. тонн серебра в течение 10 лет, пока его запасы, самые большие в мире, не закончатся.
Чтобы перевести мировую экономику на возобновляемые источники энергии, нам нужно ввести в строй ещё 130 рудников размером с Пеньяскито. Только для серебра.
И всё это только для того, чтобы обеспечивать энергией существующую мировую экономику. Ситуация становится ещё более экстремальной, когда мы начинаем учитывать рост. Поскольку спрос на энергию продолжает расти, добыча материалов для возобновляемых источников энергии становится всё более агрессивной, и чем выше темпы роста, тем хуже будет.
Важно помнить, что большинство ключевых материалов для перехода энергии находятся на глобальном «юге». Территории Латинской Америки, Африки и Азии, вероятно, станут ареной новой борьбы за ресурсы, а некоторые страны могут стать жертвами новых форм колонизации. Это произошло в XVII и XVIII веках во времена охоты на золото и серебро из Южной Америки. В XIX веке это была земля для хлопковых и сахарных плантаций на Карибах. В XX веке это были алмазы из Южной Африки, кобальт из Конго и нефть с Ближнего Востока. Нетрудно представить, что борьба за возобновляемые источники энергии может привести к такому же насилию.
Если мы не примем меры предосторожности, компании, занимающиеся экологически чистой энергией, могут стать столь же разрушительными, как компании, работающие с ископаемым топливом: откупаться от политиков, разрушать экосистемы, лоббировать экологические нормы и даже убивать общественных лидеров, которые стоят на их пути.
Всё это не означает, что мы не должны стремиться к быстрому переходу на возобновляемую энергию. Мы обязательно должны, и срочно. Но если мы стремимся к более экологически чистой и устойчивой экономике, нам нужно избавиться от фантазий о том, что мы можем продолжать наращивать спрос на энергию нынешними темпами.
Конечно, мы знаем, что бедным странам по-прежнему необходимо увеличивать потребление энергии для удовлетворения основных потребностей. Но богатым странам, к счастью, нет.
В странах с высоким уровнем доходов переход на «зёленую» энергию должен сопровождаться запланированным сокращением совокупного потребления энергии.
Сокращение спроса на энергию не только обеспечивает более быстрый переход к возобновляемым источникам энергии, но также гарантирует, что этот переход не вызовет новых волн разрушения. Любой «Зелёный новый курс», который хочет быть социально справедливым и экологически согласованным, должен иметь эти принципы в своей основе.
Дорога к чистой энергии: самые распространенные энергетические мифы
Миф № 1
Ядерная энергетика небезопасна
Кэтрин Маккарти, заместитель директора национальной ядерной лаборатории INL (Idaho National Laboratory), полагает, что атомная энергетика вполне способна преодолеть свои «детские болезни». «Со времен Чернобыля и Три-Майл Айленд много воды утекло, — говорит Маккарти, — и людям пора пересмотреть свое отношение к атомной энергетике, осознав все ее преимущества». АЭС выбрасывают в атмосферу ничтожные количества вредных компонентов. Несколько сотен атомных реакторов вполне могли бы удовлетворить потребности в энергии даже такой крупной страны, как США, радикально снизив зависимость от ископаемых видов топлива.
Миф № 2
Биоэтанол из целлюлозы — полноценная замена нефти
Идея получения этанола из целлюлозы — излюбленный конек для биотопливных энтузиастов. Сырьем могли бы служить части растений, содержащие много целлюлозы, скошенная на газонах трава, ветви деревьев, солома и древесные опилки. Один из самых перспективных кандидатов на должность «заменителя нефти» — прутьевидное просо (Panicum virgatum), быстрорастущее многолетнее растение, когда-то доминировавшее на просторах прерий Северной Америки. Оно способно дать около 35 т сухой биомассы с гектара, которые можно превратить в 10 м³ биоэтанола.
Однако для реализации этой идеи надо преодолеть несколько серьезных препятствий. Во-первых, для производства этанола в промышленных количествах требуются огромные количества целлюлозы, а это значит, что для топливно-сырьевых нужд придется отводить огромные территории.
Миф № 3
Сила ветра — ненадежный источник энергии
Ветер изменчив. Именно из-за непредсказуемости погоды ветряки обычно выдают 0,2 той энергии, которую они выдавали бы, работая без выходных круглосуточно. Сознавая этот факт, энергетики разрабатывают стратегические решения, которые позволили бы относиться к энергии ветра как к надежному и стабильному источнику.
Один из проектов — организовать в единую сеть ветровые станции, расположенные в разных местах. Взяв на вооружение экспериментальные данные и математические модели, службы электроснабжения могли бы перебрасывать избыточную энергию, произведенную в одних районах, туда, где в данный момент наблюдается ее дефицит.
Такую стратегию поддерживает и наука. Недавнее исследование Стэнфордского университета показало, что при объединении достаточно большого количества ветряных электростанций в единую сеть примерно треть производимой энергии можно считать гарантированной в круглосуточном режиме. Остальная часть энергии тоже может пойти в дело — к примеру, на зарядку батарей для электромобилей или производство водородного топлива.
Разумеется, даже самая хитроумная конфигурация сетей не сможет решить всех проблем. По оптимистическим прогнозам к 2030 году энергия ветра могла бы обеспечить примерно 30% электропотребления в масштабе всей планеты.
Миф № 4
Водоросли — дешевое сырье для получения биотоплива
Водоросли растут в прудах и руслах рек. Они вырастут даже в вашей раковине, если вы не будете ее чистить. Водоросли вездесущи, так что шустрым молодым компаниям, таким как Solix или Aurora Biofuels, легко убедить публику, что эти крошечные зеленые организмы способны обеспечить энергией земной транспорт за сущие копейки.
Однако за первенство на рынке биотоплива водорослям еще бороться и бороться. Для выработки биодизеля лучше подходят специализированные «масличные» растения, но они не согласятся прозябать в любых условиях. Исследуя водоросли, способные послужить сырьем для биотоплива, их обычно выращивают в открытых прудах, но, если этот процесс растягивается на десятилетия, вода зачастую заражается каким-нибудь дикорастущим видом местных водорослей, которые легко берут верх в конкурентной борьбе над нежными, специально выведенными «топливными» видами. Если перейти к закрытым биореакторам, мы столкнемся с новым букетом проблем. «Даже относительно дешевый биореактор радикально повышает общие капиталовложения», — говорит биохимик-технолог Джон Шихан. Он еще недавно работал над проектом, связанным с «топливными водорослями», в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, но сейчас работы в этом направлении приостановлены. Кроме того, когда растут размеры биореактора, отношение площади к объему обычно падает, водорослям труднее становится получить достаточное количество солнечной энергии, и дело доходит до того, что производство топлива таким способом становится нерентабельным. Возможно, идея топлива из водорослей когда-нибудь приведет к положительным результатам, но до этого ее ждет множество испытаний, техническая доводка и формирование дорогостоящей инфраструктуры, чтобы добираться до тех глухих углов, где эти водоросли будут выращивать.