8 джерел відновлюваної енергії, які можуть замінити нафту та газ

Настав час зайнятися планетою і знизити вплив вуглекислого газу.

Сонячна енергія

Коли мова заходить про відновлювані джерела, насамперед усі згадують про сонячну енергію та панелі для її перетворення. Існують два види подібних генераторів – фотогальванічні та концентрованого типу.

Перші працюють так: коли провідник або напівпровідник в батареї нагрівається шляхом поглинання сонячного випромінювання, між холодними і теплими областями створюється різниця потенціалів, і виходить електричний струм.

Генератори концентрованого типу збирають світло, воно нагріває рідину, та перетворюється на пару і виробляє електрику, обертаючи турбіни. Принцип роботи таких панелей відрізняється тим, що дозволяє накопичувати тепло, а значить, вони залишаються обмежено ефективними і в нічний час.

Крім вироблення електрики, сонячне світло може також застосовуватися для нагрівання рідини безпосередньо – наприклад, у басейнах та душових. Розташований на даху екологічного будинку великий бак дозволить непогано заощадити на електроенергії.

Біопаливо

Біомаса – це матеріал, отриманий з живих організмів, найчастіше – рослин або водоростей. Вони живуть користуючись сонячною енергією та водою і ефективно розмножуються.

Найпоширенішим джерелом біомаси на сьогодні є деревина, тобто мертві дерева, гілки, обрізки дощок та відходи виробництва. А ще сільськогосподарські культури – просо, коноплі, кукурудза, соя, міскантус, сорго, цукрова тростина, бамбук. Крім того, чудовим джерелом біомаси можуть стати водорості, тому що вони ростуть дуже швидко.

З усього цього можна отримувати етанол, бутанол, водень, газоподібний метан, синтетичний газ, біодизельне паливо та не тільки.

Перевага енергетики, побудованої на біомасі, – ефективна утилізація відходів. З усього, що люди не можуть або не встигають уживати, можна отримати паливо. Вже зараз його виробництво непогано налагоджено у США та Бразилії, а також у Південно-Східній Азії.

Щоправда, перехід на біопаливо не вирішує проблему глобального потепління, бо його все одно доводиться спалювати, як і нафту та газ. Але принаймні воно росте саме і не закінчується, як корисні копалини.

Океанічна енергія

Океанічні хвилі, припливи та течії створюють величезний запас кінетичної енергії — навіть шкода, що стільки добра марно пропадає. Але насправді деякі країни вже навчилися шукати з цього користь — наприклад, у Великобританії побудували найбільший у світі хвильовий генератор Oyster.

Принцип дії таких пристроїв наступний: хвилі рухають поплавці, ті рухають поршневу помпу. Вона, своєю чергою, жене морську воду на берег трубою, де вона крутить ротор гідроелектрогенератора.

Крім берегових приливних електростанцій, є проєкти підводних модифікацій. Працюватимуть вони як звичайний вітряк: величезний млин із лопатями закріплюється на морському дні, потужна течія крутить вал у генераторі.

Крім банального використання кінетичної енергії припливів і течій, є і більш екстравагантний спосіб добувати електрику з морів. Річ у тім, що Сонце постійно нагріває водну поверхню Землі – по суті, світовий океан є величезним акумулятором. Підраховано, що навіть 5% виробленого ним тепла забезпечить генерацію 10 000 ГВт електрики.

Допоможуть у цьому гідротермальні океанічні електростанції. Працюють вони так: глибоко спускаємо на дно океану величезну трубу, яка забиратиме звідти воду. Після потрапляння в теплообмінники з теплою рідиною біля поверхні океану в умовах зниженого тиску холодна вода починає кипіти не за 100 °С, як завжди, а всього за 27 °С. Утворюється холодна пара, вона обертає турбіни, і ми отримуємо електроенергію.

Зараз такі експериментальні установки розташовані в Японії та на Гаваях.

Енергія вітру

Млини винайшли щонайменше в 700-900 роках нашої ери в Персії, а звичний вигляд вони отримали в Середньовічній Європі. Майже 600 років вітер там був головним джерелом енергії, доки людство масово не перейшло на вугілля та парові машини.

Першу в історії вітряну електростанцію вигадав у липні 1887 року професор Джеймс Бліт з коледжу Андерсона в Глазго. Але місцеві жителі відмовилися її використовувати, вважаючи електроенергію «вигадкою Сатани».

Пізніше професор збудував ще одну турбіну, зажививши від неї місцевий будинок для психічно хворих.

Наразі енергія вітру знову стає популярною. Вона використовується у половині країн світу. Данія, наприклад, отримує завдяки їй 56% споживаної електрики, Уругвай – 40%, Литва – 36%, Ірландія – 35%, Великобританія – 24%. А ще вітряки масово застосовуються в США, Китаї, Португалії, Німеччині, Іспанії, країнах Латинської Америки та в Африці.

Вітряки корисні тим, що дозволяють створювати електрику з повітря там, куди тягнути дроти недоцільно. Крім того, вони працюють ефективніше вночі та взимку, коли сонячні батареї, навпаки, втрачають у потужності. Отже, два цих джерела енергії доповнюють один одного.

Так, вітряки мають деякі мінуси: їхні лопаті іноді збивають птахів у польоті, а опори так тремтять, що черв’яки вилазять з-під землі. Проте дослідники Національного університету Сінгапуру провели порівняння і дійшли до висновку, що ці генератори відповідальні за набагато менше смертей пернатих, ніж станції, що працюють на викопному паливі.

Статична електрика водяної пари

Новий екзотичний спосіб виробляти електрику був знайдений у 2020 році вченими з Тель-Авівського університету. Всім відомо, що під час гроз утворюються блискавки. Це стається, коли частинки водяної пари різної щільності – від крихітних крапель до крижинок – стикаються між собою і електризують середовище навколо себе.

Вчені повторили цей процес у лабораторії та виявили, що якщо вологість повітря понад 60%, то між частинками вже може зароджуватись статична електрика. А якщо збудувати досить високі металеві стовпи, вони зможуть буквально заряджатися від водяної пари в повітрі. В результаті від них можна провести дроти та заживлювати інфраструктуру.

Звичайно, мегаполіс електрикою з водяної пари навряд чи освітлиш. Але це дуже перспективний спосіб отримання дешевої енергії для тропічних країн, де висока вологість.

Геотермальна енергія

Вчені підрахували, що при охолодженні ядра Землі на 1°C виділиться в 10 000 разів більше енергії, ніж міститься у всьому відомому людині викопному паливі. А ядро, на секундочку, нагріте до 6 000° C і остигає на 300-500° C десь за мільярд років.

Тобто це просто неймовірні запаси енергії! Сонце раніше перетвориться на червоного гіганта, ніж ми встигнемо вичерпати потенціал земного ядра.

Геотермальні джерела вже зараз живлять електростанції в Ісландії, Новій Зеландії, Італії, Франції, Литві, Мексиці, Нікарагуа, Коста-Ріці, на Філіппінах, Індонезії, Китаї, Кенії та Японії.

З комерційною метою експлуатується лише невелика частина геотермальних ресурсів планети — найчастіше такі станції розташовуються на межах тектонічних плит. Але якщо пробурити свердловини до мантії планети, можна буде черпати енергію просто з-під землі взагалі будь-де.

Щоправда, такий проєкт поки що існує лише теоретично. Копаємо свердловину до мантії Землі, заливаємо туди рідину для гідророзриву порід та отримуємо штучний гарячий водоносний горизонт. А далі ставимо зверху турбіни та робимо електрику.

Єдине але: знадобиться справді величезна дірка — близько 10 км глибиною.

Штучний фотосинтез

Фотосинтез – це процес, що протікає в рослинних клітинах, під час якого вода та вуглекислий газ під впливом сонячного світла перетворюються на кисень та глюкозу. Ось тільки повторити його можна і в лабораторних умовах без допомоги рослин.

Вчені США, Швеції та Японії розробляють комерційно вигідні методи штучного фотосинтезу, які дозволять з вуглекислоти та води створювати паливо, смоли, пластмасу та волокно. І якщо дослідження увінчаються успіхом, ми зможемо робити пальне та матеріали для будівництва буквально з повітря.

Крім того, необов’язково повністю відмовлятися від участі у процесі рослин та водних організмів. Наприклад, розводити фотосинтезувальні синьо-зелені водорості, а потім переганяти їх у біопластик та біопаливо – теж цілком прийнятний варіант.

Інфрачервоне теплове випромінювання Землі

Сонячні промені потрапляють на частину планети та нагрівають поверхню та атмосферу. Інша сторона Землі в цей час, навпаки, віддає накопичену за день енергію у вигляді інфрачервоного теплового випромінювання. Планета виробляє 10¹⁷ Вт тепла, і все це багатство безглуздо розсіюється у космосі.

Австралійські інженери винайшли пристрій під назвою терморадіаційний діод, який виробляє енергію не при нагріванні, а при остиганні. І якщо створити досить велику його модель, яка акумулюватиме тепло вдень і віддаватиме його вночі, вийде щось на кшталт сонячної батареї, що працює цілодобово.

А якщо виготовити фотоелементи, що вловлюють інфрачервоне світло (такі вже є в приладах нічного бачення), та використовувати їх для поглинання теплового випромінювання планети, вийде так званий збирач емісійної енергії. І він дозволить виробляти електрику ночами просто з повітря.

Панелями, що вловлюють теплове випромінювання поверхні планети вночі і розсіяний ультрафіолет сонячного світла вдень, можна буде покрити всі висотні будинки в мегаполісах і отримати непогане додаткове джерело електроенергії.

Крім того, такі збирачі емісійної енергії, коли вони не потрібні, можна було б трансформувати у вежі пасивного радіаційного охолодження (PDRC) — вони більш ефективно віддавали б тепло в космос, ніж поверхня планети. Це допомогло б урятувати Землю від глобального потепління.