Ограниченные запасы ископаемого топлива и глобальное загрязнение окружающей среды заставило человечество искать возобновляемые альтернативные источники такой энергии, чтобы вред от ее переработки был минимальным при приемлемых показателях себестоимости производства, переработки и транспортировки энергоресурсов.

Современные технологии позволяют использовать имеющиеся альтернативные энергетические ресурсы, как в масштабе целой планеты, так и в пределах энергосети квартиры или частного дома.

Буйное развитие жизни на протяжении нескольких миллиардов лет наглядно доказывает обеспеченность Земли источниками энергии. Солнечный свет, тепло недр и химический потенциал позволяют живым организмам осуществлять множественные энергетические обмены, существуя в среде, созданной физическими факторами – температурой, давлением, влажностью, химическим составом.

Круговорот веществ и энергии в природе

Экономические критерии альтернативных источников энергии

Человек издревле использовал энергию ветра как движитель для кораблей, что позволяло развиваться торговле. Возобновляемое топливо из отмерших растений и отходов жизнедеятельности было источником тепла для приготовления пищи и получения первых металлов. Энергия перепада воды приводила в действие мельничные жернова. На протяжении тысячелетий это были основные виды энергии, которые мы теперь называем альтернативными источниками.

С развитием геологии и технологий добычи недр стало экономически выгодней добывать углеводороды и сжигать их для получения энергии по мере необходимости, чем ждать у моря погоды в буквальном смысле, надеясь на удачное совпадение течений, направления ветра, облачности.

Нестабильность и изменчивость погодных условий, а также относительная дешевизна двигателей, работающих на ископаемом топливе, заставили прогресс развиваться по пути использования энергии недр земли.

Диаграмма, демонстрирующая соотношение потребления ископаемых и возобновляемых источников энергии

Усвоенный и переработанный живыми организмами углекислый газ, покоившийся в недрах миллионы лет, снова возвращается в атмосферу при сжигании ископаемых углеводородов, что является источником парникового эффекта и глобального потепления. Благополучие будущих поколений и хрупкое равновесие экосистемы заставляют человечество пересмотреть экономические показатели и использовать альтернативные виды энергии , ведь здоровье дороже всего.

Сознательное использование возобновляемых природой альтернативных источников энергии становится популярным, но, как и прежде, преобладают экономические приоритеты. Но в условиях загородного дома или на даче использование источников альтернативного электричества и тепла может оказаться единственным экономически выгодным вариантом получения энергии, если проведение, подключение и установка линий энергоснабжения окажется слишком дорогой затеей.

Обеспечение удаленного от цивилизации дома минимально необходимым объемом электроэнергии с помощью солнечных панелей и ветрогенератора

Возможности использования альтернативных видов энергии

Пока ученые исследуют новые направления и разрабатывают технологии холодного термоядерного синтеза, домашние мастера могут использовать следующие альтернативные источники энергии для дома:

• Солнечный свет;
• Энергия ветра;
• Биологический газ;
• Разница температур;

По данным альтернативным видам возобновляемой энергии существуют готовые решения, успешно внедренные в массовое производство. Например – солнечные батареи, ветрогенераторы, биогазовые установки и тепловые насосы различной мощности можно приобрести вместе с доставкой и установкой, чтобы иметь свои альтернативные источники электричества и тепловой энергии для частного дома.

Промышленно выпускаемая солнечная панель, установленная на крыше частного дома

В каждом отдельном случае должен быть свой собственный план обеспечения домашних электроприборов источниками альтернативной электрической энергии, согласно потребностей и возможностей. Например, для питания ноутбука, планшета, зарядки телефона можно использовать источник напряжением 12 В., и переносные адаптеры. Данного напряжения, при достаточном объеме аккумулятора энергии будет достаточно для освещения при помощи .

Солнечные батареи и ветрогенераторы должны заряжать аккумуляторы, ввиду непостоянства освещения и силы энергии ветра. С увеличением мощности альтернативных источников электричества и объема аккумуляторов возрастает энергетическая независимость автономного энергоснабжения. Если требуется подключить к альтернативному источнику электричества электроприборы, работающие от 220 В., то применяют преобразователи напряжения .

Схема, иллюстрирующая питание домашних электроприборов от аккумуляторов, заряжаемых ветрогенератором и солнечными панелями

Альтернативная энергия солнечного излучения

В домашних условиях практически невозможно создать фотоэлементы, поэтому конструкторы альтернативных источников энергии используют готовые комплектующие, собирая генерирующие конструкции, добиваясь необходимой мощности. Соединение фотоэлементов последовательно увеличивает выходное напряжение полученного источника электричества, а подключение собранных цепочек параллельно дает больший суммарный ток сборки.

Схема подключения фотоэлементов в сборке

Ориентироваться можно на интенсивность энергии солнечного излучения – это примерно один киловатт на квадратный метр. Также нужно учитывать коэффициент полезного действия солнечных батарей – на данный момент это приблизительно 14%, но ведутся интенсивные разработки для увеличения КПД солнечных генераторов. Выходная мощность зависит от интенсивности излучения и угла падения лучей.

Можно начать с малого – приобрести одну или несколько небольших солнечных батарей, и иметь источник альтернативного электричества на даче в объеме, необходимом для зарядки смартфона или ноутбука, чтобы иметь доступ к глобальной сети интернет. Замеряя ток и напряжение, изучают объемы потребления энергии, обдумывая перспективу дальнейшего расширения использования источников альтернативной электроэнергии.

Установка дополнительных солнечных батарей на крыше дома

Нужно помнить, что солнечный свет также является источником теплового (инфракрасного) излучения, которое может использоваться для нагрева теплоносителя без дальнейшего преобразования энергии в электричество. Данный альтернативный принцип применяется в солнечных коллекторах , где при помощи отражателей инфракрасное излучение концентрируется и передается теплоносителем в систему отопления.

Солнечный коллектор в составе домашней системы отопления

Альтернативная энергия ветра

Простейший путь для самостоятельного создания ветрогенератора – это использовать автомобильный генератор. Для увеличения оборотов и напряжения источника альтернативного электричества (эффективности генерации электрической энергии) следует применить редуктор или ременную передачу. Объяснение всевозможных технологических нюансов выходит за рамки данной статьи – нужно изучать принципы аэродинамики, чтобы понять процесс преобразования скорости потока воздушных масс в альтернативное электричество.

На начальном этапе изучения перспектив преобразования возобновляемых источников альтернативной энергии ветра в электричество, нужно выбрать конструкцию ветряка. Наиболее распространенные конструкции – это лопастной винт с горизонтальной осью, ротор Савониуса, и турбина Дарье. Лопастной винт с тремя лопастями в качестве источника альтернативной энергии – наиболее распространенный вариант для самодельного изготовления.

Разновидности турбин Дарье

При проектировании лопастей винтов большое значение имеет угловая скорость вращения ветряка. Существует так называемый фактор эффективности винта, который зависит от скорости воздушного потока, а также длины, сечения, количества и угла атаки лопастей.

Обобщенно данную концепцию можно понять так – при малом ветре длины лопасти с самым удачным углом атаки будет недостаточно для достижения максимальной эффективности генерации энергии, но с многократным усилением потока и увеличением угловой скорости кромки лопастей будут испытывать чрезмерное сопротивление, которое может их повредить.

Сложный профиль лопасти ветряка

Поэтому длину лопастей рассчитывают исходя из средней скорости ветра, плавно изменяя угол атаки относительно удаления от центра винта. Для предотвращения поломки лопастей при ураганном ветре выводы генератора замыкают накоротко, что препятствует вращению винта. Для приблизительных расчетов можно принимать один киловатт альтернативной электроэнергии от трехлопастного винта диаметром 3 метра при средней скорости ветра 10м/с.

Для создания оптимального профиля лопасти потребуется компьютерное моделирование и ЧПУ станок. В домашних условиях мастера используют подручные материалы и инструменты, стараясь максимально точно воссоздать чертежи альтернативных источников ветровой энергии. В качестве материалов используется дерево, метал, пластик и т.д.

Самодельный винт ветрогенератора, сделанный из дерева и металлической пластины

Для генерации электричества мощности автомобильного генератора может оказаться недостаточно, поэтому мастера своими руками изготавливают генерирующие электрические машины, или переделывают электродвигатели. Наиболее популярная конструкция источника альтернативного электричества – ротор с попеременно размещенными неодимовыми магнитами и статором с обмотками.

Роторы самодельного генератора
Статор с обмотками для самодельного генератора

Альтернативная энергия биогаза

Биологический газ в качестве источника энергии получают в основном двумя способами – это пиролиз и анаэробное (без доступа кислорода) разложение органических веществ. Для пиролиза требуется лимитированная подача кислорода, необходимая для поддержания температуры реакции, при этом выделяются горючие газы: метан, водород, угарный газ и другие соединения: углекислый газ, уксусная кислота, вода, зольные остатки. В качестве источника для пиролиза лучше всего подходит топливо с большим содержанием смол. На видео ниже показана наглядная демонстрация выделения горючих газов из древесины при нагреве.

Для синтеза биогаза из отходов жизнедеятельности организмов применяются метантанки различных конструкций. Устанавливать метантанк дома своими руками имеет смысл при наличии в домашнем хозяйстве курятника, свинарника и поголовья крупного рогатого скота. Основной газ на выходе – метан, но большое количество примеси сероводорода и других органических соединений требует применения систем очищения для удаления запаха и предотвращения засорения горелок в тепловых генераторах или загрязнения топливных трактов двигателя.

Нужно основательное изучение энергии химических процессов, технологий с постепенным набором опыта, пройдя путь проб и ошибок, чтобы получить на выходе источника горючий биологический газ приемлемого качества.

Независимо от происхождения, после очистки смесь газов подается в теплогенератор (котел, печь, конфорка плиты) или в карбюратор бензинового генератора, — такими способами получается полноценная альтернативная энергия своими руками. При достаточной мощности газогенераторов возможно не только обеспечение дома альтернативной энергией, но и обеспечивается работа небольшого производства, как показано на видео:

Тепловые машины для экономии и получения альтернативной энергии

Тепловые насосы широко применяются в холодильниках и кондиционерах. Было замечено, для перемещения тепла требуется в несколько раз меньше энергии, чем для его генерации. Поэтому студеная вода из скважины имеет тепловой потенциал относительно морозной погоды. Понижая температуру проточной воды из скважины или из глубин незамерзающего озера, тепловые насосы отбирают тепло и передают его в систему отопления, при этом достигается значительная экономия электричества.

Экономия электроэнергии с помощью теплового насоса

Другой тип тепловой машины – двигатель Стирлинга, работающий от энергии разницы температур в замкнутой системе цилиндров и поршней, размещенных на коленчатом вале под углом 90º. Вращение коленвала может использоваться для генерации электричества. В сети имеется множество материалов из проверенных источников, подробно объясняющих принцип действия двигателя Стирлинга, и даже приводятся примеры самодельных конструкций, как на видео ниже:

К сожалению, домашние условия не позволяют создать двигатель Стирлинга с параметрами выхода энергии выше, чем у забавной игрушки или демонстрационного стенда. Для получения приемлемой мощности и экономичности требуется, чтобы рабочий газ (водород или гелий) был под большим давлением (200 атмосфер и больше). Подобные тепловые машины уже используются в солнечных и геотермальных электростанциях и начинают внедряться в частный сектор.

Двигатель Стирлинга в фокусе параболического зеркала

Чтобы получить максимально стабильное и независимое электричество на даче или в частном доме потребуется совмещения нескольких альтернативных источников энергии.

Новаторские идеи по созданию альтернативных источников энергии

Целиком и полностью охватить весь спектр возможностей возобновляемой альтернативной энергетики не сможет ни один знаток. Альтернативные источники энергии имеются буквально в каждой живой клетке. Например, водоросль хлореллы давно известна как источник белков в корме для рыб.

Ставятся опыты по выращиванию хлореллы в невесомости, для применения в качестве пищи космонавтов при дальних космических перелетах в будущем. Энергетический потенциал водорослей и других простых организмов изучается для синтеза горючих углеводородов.

Аккумулирование солнечного света в живых клетках хлореллы, выращиваемой в промышленных установках

Нужно иметь в виду, что преобразователя и аккумулятора энергии солнечного света лучшего, чем фторопласт живой клетки пока не придумано. Поэтому потенциальные возобновляемые источники альтернативного электричества имеются в каждом зеленом листе, осуществляющем фотосинтез .

Основная сложность состоит в том, чтобы собрать органический материал, при помощи химических и физических процессов достать оттуда энергию и преобразовать ее в электричество. Уже сейчас большие площади аграрных земель отводятся под выращивание альтернативных энергетических культур.

Уборка мискантуса — энергетической агротехнической культуры

Другим колоссальным источником альтернативной энергии может служить атмосферное электричество. Энергия молний огромная и обладает разрушительными воздействиями, и для защиты от них используются молниеотводы.

альтТрудности с обузданием энергетического потенциала молнии и атмосферного электричества состоят в большом напряжении и силе тока разряда за очень короткое время, что требует создания многоступенчатых систем из конденсаторов для накопления заряда с последующим использованием запасенной энергии. Также хорошие перспективы имеются у статического атмосферного электричества.

Перспективы использования альтернативных источников энергии

Традиционные источники энергии становятся неактуальными. Множество причин заставляет человечество отказываться от них. Сегодня основное внимание направлено на альтернативные способы, уже применяющиеся на практике и планируемые на будущее. Исследования продолжаются, поэтому наука движется вперёд, не останавливаясь на достигнутых результатах. Сейчас можно оценить некоторые достижения, уже давшие первые результаты, чтобы понять, насколько выгодными станут новые направления через несколько лет.

Альтернативная энергия продолжает распространяться. Причиной являются её явные преимущества перед традиционными источниками, которые сложно опровергнуть. В некоторых странах правительство ведёт сложные государственные программы с колоссальными денежными вложениями для постепенной замены, но пока результаты остаются незначительными.

Какие основные виды можно выделить?

• Энергия молнии;
• Энергия атома.

Бесконечные исследования позволяют сопоставить возможности, предлагаемые природой. Человечество продолжает искать новые направления, которые в будущем наверняка превратятся в идеальную замену традиционных источников. Подробное описание даст общую информацию, а также укажет, какие виды уже нашли применение в повседневной жизни населения планеты.

Энергия солнца используется человеком давно. Первоначальные попытки делались в древние времена, когда посредством направленного луча люди зажигали дерево. Современные способы основываются на использовании больших площадей батарей, собирающих потоки для последующей обработки и накопления в аккумуляторах.

При помощи такой энергии летают все космические станции и спутники. На орбите доступ к звезде открыт, но и на Земле некоторые страны активно пользуются новым источником. Одним из примеров являются целые «поля» батарей, обеспечивающие небольшие городки. Хотя намного интереснее рассмотреть новые небольшие автономные источники, где площадь поверхности не превышает крыши маленького дома. Они устанавливаются в частном порядке по всему миру, чтобы осуществлять отопление без лишних затрат.

Энергия ветра используется человечеством испокон веков. Лучшим примером этого являются парусники, двигающиеся за счёт постоянного воздушного потока. Теперь научные исследования позволили создать специальные генераторы, обеспечивающие электричеством целые города. Причём они работают по двум принципам:

• Автономно;
• Параллельно с основной сетью.

В обоих случаях удаётся постепенно заменять традиционный источник, сокращая пагубное воздействие на окружающую среду. Сейчас можно оценить достигнутые результаты, подтверждающие правильность выбора. Данные подсказывают, что в Дании 25% получаемой энергии приходится именно на ветряные электростанции. Многие страны стараются постепенно перейти на новые источники, но это возможно только на открытых пространствах. Из-за чего в отдельных районах использование лучшего варианта остаётся недоступным.

Энергия воды остаётся незаменимой. Раньше она применялась на простых мельницах и кораблях, а сейчас огромные турбинные ГЭС поставляют электричество в целых регионах. Последние разработки предлагают человечеству познакомиться с фантастическим будущим, которое будет построено на новейших источниках. Какие альтернативы уже используются странами?

• Приливные электростанции;
• Волновые электростанции;
• Микро и мини ГЭС;
• Аэро ГЭС.

Приливные электростанции используют энергию приливов. Их высота и мощь зависит от воздействия Луны, поэтому стабильность подачи остаётся некоторой проблемой. Хотя во Франции, Индии, Великобритании и нескольких других государствах проект воплощён в жизнь и успешно используется в качестве незаменимой поддержки.

Волновые электростанции строятся на берегах океанов, где мощь регулярных ударов о побережье превышают мыслимые пределы. В этом случае ограничением становится недостаточная сила. Она не позволяет получить достаточное количество энергии.

Микро и мини ГЭС подходят для узких горных рек. Их небольшие размеры позволяют свободно найти время, а их мощность подходит для обеспечения маленьких поселений. Опытные модели проверены, поэтому сейчас строятся действующие объекты, обладающие неплохими показателями.

Аэро ГЭС – новейшая технология, которая пока ещё проходит проверку. Она основана на конденсации влаги из атмосферы. Действующие установки пока остаются призрачной мечтой, но есть определённые показатели, подтверждающие целесообразность вложения денежных средств в разработки.

Геотермальная энергия остаётся распространённой. Такой альтернативный источник используется несколькими различными способами. Он остаётся одним из самых интересных для определённых регионов, поэтому отказ от неё не имеет смысла. Единственной проблемой является высокая стоимость установок, что ограничивает их количество. Какие варианты возможны?

• Тепловые электростанции;
• Грунтовые теплообменники.

Энергия молнии

Энергия молнии – новое веяние. Это направление только начинает разрабатываться, но учёные утверждают, что есть возможность использования доступных гигаватт. Они теряются впустую, уходя в грунт. Американская компания приступила к исследованиям, которые ориентированы на создание специальных установок для улавливания гроз.

Энергия молнии – мощный источник, способный обеспечить электроэнергией крупный район мегаполиса. Ориентировочные денежные затраты на строительство должны окупаться в течение 5─7 лет, так что целесообразность подобных вложений остаётся неоспоримой. Остаётся только дождаться окончания исследований для внедрения новой технологии в широкий обиход.

Для решения проблемы ограниченности ископаемых видов топлива исследователи во всем мире работают над созданием и внедрением в эксплуатацию альтернативных источников энергии. И речь идет не только о всем известных ветряках и солнечных батареях. На смену газу и нефти может прийти энергия от водорослей, вулканов и человеческих шагов. Recycle выбрал десять самых интересных и экологически чистых энерго-источников будущего.

Джоули из турникетов

Тысячи людей каждый день проходят через турникеты при входе на железнодорожные станции. Сразу в нескольких исследовательских центрах мира появилась идея использовать поток людей в качестве инновационного генератора энергии. Японская компания East Japan Railway Company решила оснастить каждый турникет на железнодорожных станциях генераторами. Установка работает на вокзале в токийском районе Сибуя: в пол под турникетами встроены пьезоэлементы, которые производят электричество от давления и вибрации, которую они получают, когда люди наступают на них.

Другая технология «энерго-турникетов» уже используется в Китае и в Нидерландах. В этих странах инженеры решили использовать не эффект нажатия на пьезоэлементы, а эффект толкания ручек турникета или дверей-турникетов. Концепция голландской компании Boon Edam предполагает замену стандартных дверец при входе в торговые центры (которые обычно работают по системе фотоэлемента и сами начинают крутиться) на двери, которые посетитель должен толкать и таким образом производить электроэнергию.

В голландском центре Natuurcafe La Port такие двери-генераторы уже появились. Каждая из них производит около 4600 киловатт-час энергии в год, что на первый взгляд может показаться незначительным, но служит неплохим примером альтернативной технологии по выработке электричества.

Водоросли отапливают дома

Водоросли стали рассматриваться в качестве альтернативного источника энергии относительно недавно, но технология, по мнению экспертов, очень перспективна. Достаточно сказать, что с 1 гектара площади водной поверхности, занятой водорослями, в год можно получать 150 тысяч кубометров биогаза. Это приблизительно равно объёму газа, который выдает небольшая скважина, и достаточно для жизнедеятельности небольшого поселка.

Зеленые водоросли просты в содержании, быстро растут и представлены множеством видов, использующих энергию солнечного света для осуществления фотосинтеза. Всю биомассу, будь то сахара или жиры, можно превратить в биотопливо, чаще всего в биоэтанол и биодизельное топливо. Водоросли — идеальное эко-топливо, потому что растут в водной среде и не требуют земельных ресурсов, обладают высокой продуктивностью и не наносят ущерба окружающей среде.

По оценкам экономистов, к 2018 году глобальный оборот от переработки биомассы морских микроводорослей может составить около 100 млрд долларов. Уже существуют реализованные проекты на «водорослевом» топливе — например, 15-квартирный дом в немецком Гамбурге. Фасады дома покрыты 129 аквариумами с водорослями, служащими единственным источником энергии для отопления и кондиционирования здания, получившего название Bio Intelligent Quotient (BIQ) House.

«Лежачие полицейские» освещают улицы

Концепцию выработки электроэнергии при помощи так называемых «лежачих полицейских» начали реализовывать сначала в Великобритании, затем в Бахрейне, а скоро технология дойдет и до России. Все началось с того, что британский изобретатель Питер Хьюс создал «Генерирующую дорожную рампу» (Electro-Kinetic Road Ramp) для автомобильных дорог. Рампа представляет собой две металлические пластины, немного поднимающиеся над дорогой. Под пластинами заложен электрический генератор, который вырабатывает ток всякий раз, когда автомобиль проезжает через рампу.

В зависимости от веса машины рампа может вырабатывать от 5 до 50 киловатт в течение времени, пока автомобиль проезжает рампу. Такие рампы в качестве аккумуляторов способны питать электричеством светофоры и подсвечиваемые дорожные знаки. В Великобритании технология работает уже в нескольких городах. Способ начал распространяться и на другие страны — например, на маленький Бахрейн.

Самое удивительное, что нечто подобное можно будет увидеть и в России. Студент из Тюмени Альберт Бранд предложил такое же решение по уличному освещению на форуме «ВУЗПромЭкспо». По подсчетам разработчика, в день по «лежачим полицейским» в его городе проезжает от 1000 до 1500 машин. За один «наезд» автомобиля по оборудованному электрогенеретором «лежачему полицейскому» будет вырабатываться около 20 ватт электроэнергии, не наносящей вред окружающей среде.

Больше, чем просто футбол

Разработанный группой выпускников Гарварда, основателей компании Uncharted Play, мяч Soccket может за полчаса игры в футбол сгенерировать электроэнергию, которой будет достаточно, чтобы несколько часов подпитывать LED-лампу. Soccket называют экологически чистой альтернативой небезопасным источникам энергии, которые нередко используются жителями малоразвитых стран.

Принцип аккумулирования энергии мячом Soccket довольно прост: кинетическая энергия, образуемая от удара по мячу, передается крошечному механизму, похожему на маятник, который приводит в движение генератор. Генератор производит электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторе. Сохраненная энергия может быть использована для питания любого небольшого электроприбора — например, настольной лампы со светодиодом.

Выходная мощность Soccket составляет шесть ватт. Генерирующий энергию мяч уже завоевал признание мирового сообщества: получил множество наград, был высоко оценен организацией Clinton Global Initiative, а также получил хвалебные отзывы на известной конференции TED.

Скрытая энергия вулканов

Одна из главных разработок в освоении вулканической энергии принадлежит американским исследователям из компаний-инициаторов AltaRock Energy и Davenport Newberry Holdings. «Испытуемым» стал спящий вулкан в штате Орегон. Соленая вода закачивается глубоко в горные породы, температура которых благодаря распаду имеющихся в коре планеты радиоактивных элементов и самой горячей мантии Земли очень высока. При нагреве вода превращается в пар, который подается в турбину, вырабатывающую электроэнергию.

На данный момент существуют лишь две небольшие действующие электростанции подобного типа - во Франции и в Германии. Если американская технология заработает, то, по оценке Геологической службы США, геотермальная энергия потенциально способна обеспечить 50% необходимого стране электричества (сегодня ее вклад составляет лишь 0,3%).

Другой способ использования вулканов для получения энергии предложили в 2009 году исландские исследователи. Рядом с вулканическими недрами они обнаружили подземный резервуар воды с аномально высокой температурой. Супер-горячая вода находится где-то на границе между жидкостью и газом и существует только при определенных температуре и давлении.

Ученые могли генерировать нечто подобное в лаборатории, но оказалось, что такая вода встречается и в природе — в недрах земли. Считается, что из воды «критической температуры» можно извлечь в десять раз больше энергии, чем из воды, доведенной до кипения классическим образом.

Энергия из тепла человека

Принцип термоэлектрических генераторов , работающих на разнице температур, известен давно. Но лишь несколько лет назад технологии стали позволять использовать в качестве источника энергии тепло человеческого тела. Группа исследователей из Корейского ведущего научно-технического института (KAIST) разработала генератор, встроенный в гибкую стеклянную пластинку.

Т акой гаджет позволит фитнес-браслетам подзаряжаться от тепла человеческой руки — например, в процессе бега, когда тело сильно нагревается и контрастирует с температурой окружающей среды. Корейский генератор размером 10 на 10 сантиметров может производить около 40 милливат энергии при температуре кожи в 31 градус Цельсия.

Похожую технологию взяла за основу молодая Энн Макосински, придумавшая фонарик, заряжающийся от разницы температур воздуха и человеческого тела. Эффект объясняется использованием четырех элементов Пельтье: их особенностью является способность вырабатывать электричество при нагреве с одной стороны и охлаждении с другой стороны.

В итоге фонарик Энн производит довольно яркий свет, но не требует батарей-акуумуляторов. Для его работы необходима лишь температурная разница всего в пять градусов между степенью нагрева ладони человека и температурой в комнате.

Шаги по «умной» тротуарной плитке

На любую точку одной из оживленных улиц приходится до 50000 шагов в день. Идея использовать пешеходный поток для полезного преобразования шагов в энергию была реализована в продукте, разработанном Лоуренсом Кемболл-Куком, директором британской Pavegen Systems Ltd. Инженер создал тротуарную плитку, генерирующую электроэнергию из кинетической энергии гуляющих пешеходов.

Устройство в инновационной плитке сделано из гибкого водонепроницаемого материала, который при нажатии прогибается примерно на пять миллиметров. Это, в свою очередь, создаёт энергию, которую механизм преобразует в электричество. Накопленные ватты либо сохраняются в литиевом полимерном аккумуляторе, либо сразу идут на освещение автобусных остановок, витрин магазинов и вывесок.

Сама плитка Pavegen считается абсолютно экологически чистой: ее корпус изготовлен из нержавеющей стали специального сорта и переработанного полимера с низким содержанием углерода. Верхняя поверхность изготовлена из использованных шин, благодаря этому плитка обладает прочностью и высокой устойчивостью к истиранию.

Во время проведения летней Олимпиады в Лондоне в 2012 году плитку установили на многих туристических улицах. За две недели удалось получить 20 миллионов джоулей энергии. Этого с избытком хватило для работы уличного освещения британской столицы.

Велосипед, заряжающий смартфоны

Чтобы подзарядить плеер, телефон или планшет, необязательно иметь под рукой розетку. Иногда достаточно лишь покрутить педали. Так, американская компания Cycle Atom выпустила в свет устройство, позволяющее заряжать внешний аккумулятор во время езды на велосипеде и впоследствии подзаряжать мобильные устройства.

Продукт, названный Siva Cycle Atom, представляет собой легкий велосипедный генератор с литиевым аккумулятором, предназначенным для питания практически любых мобильных устройств, имеющих порт USB. Такой мини-генератор может быть установлен на большинстве обычных велосипедных рам в течение считанных минут. Сам аккумулятор легко снимается для последующей подзарядки гаджетов. Пользователь занимается спортом и крутит педали — а спустя пару часов его смартфон уже заряжен на 100 поцентов.

Компания Nokia в свою очередь тоже представила широкой публике гаджет, присоединяемый к велосипеду и позволяющий переводить кручение педалей в способ получегия экологически безопасной энергии. Комплект Nokia Bicycle Charger Kit имеет динамо-машину, небольшой электрический генератор, который использует энергию от вращения колес велосипеда и подзаряжает ей телефон через стандартный двухмиллиметровый разъем, распространенный в большинстве телефонов Nokia.

Польза от сточных вод

Любой крупный город ежедневно сбрасывает в открытые водоемы гигантское количество сточных вод , загрязняющих экосистему. Казалось бы, отравленная нечистотами вода уже никому не может пригодиться, но это не так — ученые открыли способ создавать на ее основе топливные элементы.

Одним из пионеров идеи стал профессор Университета штата Пенсильвания Брюс Логан. Общая концепция весьма сложная для понмания неспециалиста и построена на двух столпах — применении бактериальных топливных ячеек и установке так называемого обратного электродиализа. Бактерии окисляют органическое вещество в сточных водах и производят в данном процессе электроны, создавая электрический ток.

Для производства электричества может использоваться почти любой тип органического отходного материала - не только сточные воды, но и отходы животноводства, а также побочные продукты производств в виноделии, пивоварении и молочной промышленности. Что касается обратного электродиализа, то здесь работают электрогенераторы, разделенные мембранами на ячейки и извлекающие энергию из разницы в солености двух смешивающихся потоков жидкости.

«Бумажная» энергия

Японский производитель электроники Sony разработал и представил на Токийской выставке экологически чистых продуктов био-генератор, способный производить электроэнергию из мелко нарезанной бумаги. Суть процесса заключается в следующем: для выделения целлюлозы (это длинная цепь сахара глюкозы, которая находится в зеленых растениях) необходим гофрированный картон.

Цепь разрывается с помощью ферментов, а образовавшаяся от этого глюкоза подвергается обработке другой группой ферментов, с помощью которых высвобождаются ионы водорода и свободные электроны. Электроны направляются через внешнюю цепь для выработки электроэнергии. Предполагается, что подобная установка в ходе переработки одного листа бумаги размером 210 на 297 мм может выработать около 18 Вт в час (примерно столько же энергии вырабатывают 6 батареек AA).

Метод является экологически чистым: важным достоинством такой «батарейки» является отсутствие металлов и вредных химических соединений. Хотя на данный момент технология еще далека от коммерциализации: электричества вырабатывается достаточно мало - его хватает лишь на питание небольших портативных гаджетов.

Экология потребления.Наука и техника:В то время как большинство концепций альтернативной энергетики не новы, только за последние несколько десятилетий этот вопрос стал, наконец, актуальным. Благодаря усовершенствованию технологий и производства, стоимость большинства форм альтернативной энергии понижалась, в то время как эффективность росла.

За последние годы альтернативная энергетика стала предметом пристального интереса и ожесточенных дискуссий. Под угрозой изменения климата и того факта, что средние мировые температуры продолжают расти с каждым годом, стремление найти формы энергии, которые позволят сократить зависимость от ископаемого топлива, угля и других загрязняющих окружающую среду процессов, естественным образом выросло.

В то время как большинство концепций альтернативной энергетики не новы, только за последние несколько десятилетий этот вопрос стал, наконец, актуальным. Благодаря усовершенствованию технологий и производства, стоимость большинства форм альтернативной энергии понижалась, в то время как эффективность росла. Что же такое альтернативная энергетика, если говорить простыми и понятными словами, и какова вероятность того, что она станет основной?

Очевидно, остаются некоторые споры касательно того, что означает «альтернативная энергия» и к чему эту фразу можно применить. С одной стороны, этот термин можно отнести к формам энергии, которые не приводят к увеличению углеродного следа человечества. Поэтому он может включать ядерные объекты, гидроэлектростанции и даже природный газ и «чистый уголь».

С другой стороны, этот термин также используется для обозначения того, что в настоящее время считается нетрадиционными методами энергетики - энергии солнца, ветра, геотермальной энергии, биомассы и других недавних дополнений. Такого рода классификация исключает такие методы добычи энергии, как гидроэлектростанции, которые существуют больше сотни лет и представляют собой довольно распространенное явление в некоторых регионах мира.

Другой фактор в том, что альтернативные источники энергии должны быть «чистыми», не производить вредных загрязняющих веществ. Как уже отмечалось, это подразумевает чаще всего двуокись углерода, однако может относиться и к другим выбросам - моноксиду углерода, двуокиси серы, окиси азота и другим. По этим параметрам ядерная энергия не считается альтернативным источником энергии, поскольку производит радиоактивные отходы, которые высоко токсичны и должны храниться соответствующим образом.

Во всех случаях, однако, этот термин используется для обозначения видов энергии, которые придут на смену ископаемому топливу и углю в качестве преобладающей формы производства энергии в ближайшее десятилетие.

Виды альтернативных источников энергии

Строго говоря, существует много видов альтернативной энергии. Опять же, здесь определения заходят в тупик, потому что в прошлом «альтернативной энергетикой» называли методы, использование которых не считали основным или разумным. Но если взять определение в широком смысле, в него войдут некоторые или все эти пункты:

Гидроэлектроэнергия. Это энергия, вырабатываемая гидроэлектрическими плотинами, когда падающая и текущая вода (в реках, каналах, водопадах) проходит через устройство, вращающее турбины и вырабатывающее электричество.

Ядерная энергия. Энергия, которая производится в процессе реакций замедленного деления. Урановые стержни или другие радиоактивные элементы нагревают воду, превращая ее в пар, а пар крутит турбины, вырабатывая электричество.

Солнечная энергия. Энергия, которая получается напрямую от Солнца; фотовольтаические ячейки (обычно состоящие из кремниевой подложки, выстроенные в крупные массивы) преобразуют лучи солнца напрямую в электрическую энергию. В некоторых случаях и тепло, производимое солнечным светом, используется для производства электричества, это известно как солнечная тепловая энергия.

Энергия ветра. Энергия, вырабатываемая потоком воздуха; гигантские ветряные турбины вертятся под действием ветра и вырабатывают электричество.

Геотермальная энергия. Эту энергию вырабатывает тепло и пар, производимые геологической активностью в земной коре. В большинстве случаев в грунт над геологически активными зонами помещаются трубы, пропускающие пар через турбины, таким образом вырабатывая электричество.

Энергия приливов. Приливное течение у береговых линий тоже может использоваться для выработки электричества. Ежедневное изменение приливов и отливов заставляет воду протекать через турбины назад и вперед. Вырабатывается электроэнергия, которая передается на береговые электростанции.

Биомасса. Это относится к топливу, которое получают из растений и биологических источников - этанола, глюкозы, водорослей, грибов, бактерий. Они могли бы заменить бензин в качестве источника топлива.

Водород. Энергия, получаемая из процессов, включающих газообразный водород. Сюда входят каталитические преобразователи, при которых молекулы воды разбиваются на части и воссоединяются в процессе электролиза; водородные топливные элементы, в которых газ используется для питания двигателя внутреннего сгорания или для вращения турбины с подогревом; или ядерный синтез, при котором атомы водорода сливаются в контролируемых условиях, высвобождая невероятное количество энергии.

Альтернативные и возобновляемые источники энергии

Во многих случаях альтернативные источники энергии также являются возобновляемыми. Тем не менее эти термины не полностью взаимозаменяемы, поскольку многие формы альтернативных источников энергии полагаются на ограниченный ресурс. К примеру, ядерная энергетика опирается на уран или другие тяжелые элементы, которые необходимо сперва добыть.

В то же время ветер, солнечная, приливная, геотермальная и гидроэлектроэнергия полагаются на источники, которые полностью возобновляемые. Лучи солнца - самый изобильный источник энергии из всех и, хоть и ограниченный погодой и временем суток, является неисчерпаемым с промышленной точки зрения. Ветер тоже никуда не девается, благодаря изменениям давления в нашей атмосфере и вращению Земли.

В настоящее время альтернативная энергетика все еще переживает свою юность. Но эта картина быстро меняется под влиянием процессов политического давления, всемирных экологических катастроф (засух, голода, наводнений) и улучшений в технологиях возобновляемых энергий.

Например, по состоянию на 2015 год, энергетические потребности мира по-прежнему преимущественно обеспечивались углем (41,3%) и природным газом (21,7%). Гидроэлектростанции и атомная энергетика составили 16,3% и 10,6% соответственно, в то время как «возобновляемые источники энергии» (энергии солнца, ветра, биомассы и пр.) - всего 5,7%.

Это сильно изменилось с 2013 года, когда мировое потребление нефти, угля и природного газа составило 31,1%, 28,9% и 21,4% соответственно. Ядерная и гидроэлектроэнергия составляли 4,8% и 2,45%, а возобновляемые источники - всего 1,2%.

Кроме того, наблюдалось увеличение числа международных соглашений относительно обуздания использования ископаемого топлива и развития альтернативных источников энергии. Например, Директиву о возобновляемой энергии, подписанную Евросоюзом в 2009 году, которая установила цели по использованию возобновляемой энергии для всех стран-участниц к 2020 году.

По своей сути, из этого соглашения следует, что ЕС будет удовлетворять не менее 20% общего объема своих потребностей в энергии возобновляемой энергией к 2020 году и по меньшей мере 10% транспортного топлива. В ноябре 2016 года Европейская комиссия пересмотрела эти цели и установила уже 27% минимального потребления возобновляемой энергии к 2030 году.

Некоторые страны стали лидерами в области развития альтернативной энергетики. Например, в Дании энергия ветра обеспечивает до 140% потребностей страны в электроэнергии; излишки поставляются в соседние страны, Германию и Швецию.

Исландия, благодаря своему расположению в Северной Атлантике и ее активным вулканам, достигла 100% зависимости от возобновляемых источников энергии уже в 2012 году за счет сочетания гидроэнергетики и геотермальной энергии. В 2016 году Германия приняла политику поэтапного отказа от зависимости от нефти и ядерной энергетики.

Долгосрочные перспективы альтернативной энергетики являются чрезвычайно позитивными. Согласно отчету 2014 году Международного энергетического агентства (МЭА), на фотовольтаическую солнечную энергию и солнечную тепловую энергию будет приходиться 27% мирового спроса к 2050 году, что сделает ее крупнейшим источником энергии. Возможно, благодаря достижениям в области синтеза, ископаемые источники топлива будут безнадежно устаревшими уже к 2050 году. опубликовано

Альтернативные источники энергии — это ветер, солнце, приливы и отливы, биомасса, геотермальная энергия Земли.

Ветряные мельницы давно используются человеком в качестве источника энергии. Однако они эффективны и пригодны только для мелкого пользователя. К сожалению, ветер пока еще не в состоянии давать электроэнергию в достаточных количествах. Солнечная и ветровая энергетика имеет серьезный недостаток — временную нестабильность именно в тот момент, когда она особенно нужна. В связи с этим необходимы системы хранения энергии, чтобы потребление ее могло быть возможно в любое время, но экономически зрелой технологии создания таких систем пока нет.

Первые ветряные электрогенераторы были разработаны еще в 90-х гг. XIX в. в Дании, а уже к 1910 г. в этой стране было построено несколько сот мелких установок. Еще через несколько лет датская промышленность получала от ветряных генераторов четверть необходимой ей электроэнергии. Их общая мощность составила 150-200 МВт.

В 1982 г. на китайском рынке было продано 1280 ветряных турбин, а в 1986 г. — 11 000, что позволило обеспечить электричеством те районы Китая, в которых раньше его никогда не было.

В начале XX в. в России насчитывалось 250 тыс. крестьянских ветряных мельниц мощностью до 1 млн кВт. Они перемалывали 2,5 млрд пудов зерна на месте, без дальних перевозок. К сожалению, в результате бездумного отношения к природным ресурсам в 40-х гг. прошлого века на территории бывшего СССР была разрушена основная часть ветряных и водяных двигателей, а к 50-м гг. они почти совсем исчезли как «отсталая техника».

В настоящее время солнечную энергию используют в некоторых странах в основном для отопления, а для производства энергии — в очень незначительных масштабах. Между тем мощность солнечного излучения, достигающего Земли, составляет 2 х 10 17 Вт, что более чем в 30 тыс. раз превышает сегодняшний уровень энергопотребления человечества.

Различают два основных варианта использования энергии Солнца: физический и биологический. При физическом варианте энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал. При биологическом варианте используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в органическом веществе растений (обычно в древесине). Этот вариант годится для стран с относительно большими запасами леса. Например, Австрия планирует в ближайшие годы получать от сжигания древесины до трети необходимой ей электроэнергии. Для этих же целей в Великобритании планируется засадить лесом около 1 млн га земель, непригодных для сельскохозяйственного использования. Высаживаются быстрорастущие породы, такие как тополь, срезку которого производят уже через 3 года после посадки (высота этого дерева около 4 м, диаметр стволика — более 6 см).

Проблема использования нетрадиционных источников энергии в последнее время особенно актуальна. Это, несомненно, выгодно, хотя подобные технологии требуют значительных затрат. В феврале 1983 г. американская фирма «Арка Солар» начала эксплуатировать первую в мире солнечную электростанцию мощностью 1 МВт. Возведение таких электростанций — дорогое удовольствие. Сооружение солнечной электростанции, способной обеспечить электроэнергией около 10 тыс. бытовых потребителей (мощность — около 10 мМВт), обойдется в 190 млн дол. Это в четыре раза больше, нежели расходы на сооружение ТЭС, работающей на твердом топливе, и соответственно в три раза больше, чем строительство гидроэлектростанции и АЭС. Тем не менее специалисты по изучению солнечной энергии уверены, что с развитием технологии использования энергии Солнца цены на нее значительно снизятся.

Вероятно, будущее энергетики — за ветряной и солнечной энергией. В 1995 г. в Индии приступили к реализации программы по выработке энергии с помощью ветра. В США мощность ветряных электростанций составляет 1654 МВт, в Европейском союзе — 2534 МВт, из них 1000 МВт вырабатывается в Германии. В настоящее время наибольшего развития ветроэнергетика достигла в Германии, Англии, Голландии, Дании, США (только в Калифорнии 15 тыс. ветряков). Энергия, получаемая с помощью ветра, может постоянно возобновляться. Ветряные станции не загрязняют окружающую среду. С помощью ветряной энергии можно электрифицировать самые отдаленные уголки земного шара. К примеру, 1600 жителей острова Дезират в Гваделупе пользуются электричеством, которое вырабатывают 20 ветряных генераторов.

Из чего еще можно получать энергию, не загрязняя окружающую среду?

Для использования энергии приливов и отливов обычно строят приливные электростанции в устьях рек либо непосредственно на морском берегу. В обычном портовом волноломе оставляют отверстия, куда свободно поступает вода. Каждая волна повышает уровень воды, а следовательно, и давление остающегося в отверстиях воздуха. «Выдавливаемый» наружу через верхнее отверстие воздух приводит в движение турбину. С уходом волны возникает обратное движение воздуха, который стремится заполнить вакуум, и турбина получает новый импульс к вращению. Согласно оценкам специалистов, такие электростанции могут использовать до 45 % энергии приливов.

Волновая энергия представляется довольно многообещающей формой из новых энергоисточников. Например, на каждый метр волнового фронта, окружающего Британию со стороны Северной Атлантики, в среднем приходится 80 кВт энергии в год, или 120 000 ГВт. Существенные потери при переработке и передаче этой энергии неизбежны, и, по-видимому, лишь третья ее часть может поступать в сеть. Тем не менее оставшегося объема достаточно для того, чтобы обеспечить всю Британию электричеством на уровне существующей нормы потребления.

Привлекает ученых и использование биогаза, который представляет собой смесь горючего газа — метана (60-70 %) и негорючего углекислого газа. В нем обычно присутствуют примеси — сероводород, водород, кислород, азот. Образуется биогаз в результате анаэробного (бескислородного) разложения органики. Этот процесс в природе можно наблюдать на низинных болотах. Воздушные пузырьки, поднимающиеся со дна заболоченных участков, это и есть биогаз — метан и его производные.

Процесс получения биогаза можно разделить на два этапа. Вначале с помощью анаэробных бактерий из углеводов, белков и жиров образуется набор органических и неорганических веществ: кислоты (масляная, пропионовая, уксусная), водород, углекислота. На втором этапе (щелочном или метановом) подключаются метановые бактерии, которые разрушают органические кислоты с выделением метана, углекислого газа и небольшого количества водорода.

В зависимости от химического состава сырья при сбраживании выделяется от 5 до 15 кубометров газа на кубометр перерабатываемой органики.

Биогаз можно сжигать для отопления домов, сушки зерна, использовать в качестве горючего для автомобилей и тракторов. По своему составу биогаз мало отличается от природного газа. Кроме того, в процессе получения биогаза остаток брожения составляет примерно половину органических веществ. Его можно брикетировать и получать твердое топливо. Однако в хозяйственном отношении это не слишком рационально. Остаток брожения лучше использовать в качестве удобрения.

1 м 3 биогаза соответствует 1 л жидкого газа или 0,5 л высококачественного бензина. Получение биогаза даст технологическую выгоду — уничтожение отходов и энергетическую выгоду — дешевое горючее.

В Индии для получения биогаза используется около 1 млн дешевых и простых установок, а в Китае их свыше 7 млн. С точки зрения экологии биогаз имеет огромные преимущества, так как он может заменить дрова, а следовательно, сохранить лес и предотвратить опустынивание. В Европе ряд установок по очистке городских сточных вод удовлетворяет свои энергетические потребности за счет производимого ими биогаза.

Еще одним альтернативным источником энергии является сельскохозяйственное сырье: сахарный тростник, сахарная свекла, картофель, топинамбур и др. Из него методом ферментации в некоторых странах производят жидкое топливо, в частности этанол. Так, в Бразилии растительную массу преобразуют в этиловый спирт в таких количествах, что эта страна удовлетворяет большую часть своих потребностей в автомобильном топливе. Сырье, необходимое для организации массового производства этанола, — это в основном сахарный тростник. Сахарный тростник активно участвует в процессе фотосинтеза и производит на каждый гектар обрабатываемой площади больше энергии, чем другие культуры. В настоящее время его производство в Бразилии составляет 8,4 млн т, что соответствует 5,6 млн т бензина самого высокого качества. В США производится биохол — горючее для автомобилей, содержащее 10 % этанола, полученного из кукурузы.

Тепловую или электрическую энергию можно добывать за счет тепла земных глубин. Геотермальная энергетика экономически эффективна там, где горячие воды приближены к поверхности земной коры, — в районах активной вулканический деятельности с многочисленными гейзерами (Камчатка, Курильские острова, острова Японского архипелага). В отличие от других первичных источников энергии, носители геотермальной энергии невозможно транспортировать на расстояние, превышающее несколько километров. Поэтому земное тепло — типично локальный источник энергии, и работы, связанные с его эксплуатацией (разведка, подготовка буровых площадок, бурение, испытание скважин, забор жидкости, получение и передача энергии, подпитка, создание инфраструктур и т.д.), ведутся, как правило, на относительно небольшом участке с учетом местных условий.

Геотермальная энергия используется в широких масштабах в США, Мексике и на Филиппинах. Доля геотермальной энергии в энергетике Филиппин — 19 %, Мексики — 4 %, США (с учетом использования для отопления «напрямую», т.е. без переработки в электрическую энергию) — около 1 %. Суммарная мощность всех геоТЭС США превышает 2 млн кВт. Геотермальная энергия обеспечивает теплом столицу Исландии — Рейкьявик. Уже в 1943 г. там были пробурены 32 скважины на глубине от 440 до 2400 м, по которым к поверхности поднимается вода с температурой от 60 до 130 °С. Девять из этих скважин действуют по сей день. В России, на Камчатке, действует геоТЭС мощностью 11 МВт и строится еще одна мощностью 200 МВт.