BLOG

Видове енергийни източници

Двадесети век отбеляза голям ръст в добива на органични горива – нефт, газ и въглища.Неблагоприятни страни:
•Тези горива са ограничени като количество и ще бъдат изчерпани (примерно след 70-130 години). С напредването на времето цената им ще расте.
•Изгарянето на тези горива създава значителен въглероден отпечатък, увеличава парниковия ефект.
•Ограничеността и наличието на запасите на тези горива върху
определени територии създава политически проблеми и е предпоставка за конфликти и войни.

Други възможни енергийни източници – водна енергия, слънце, вятър, атомна енергия и др.

Докато в използването на водната, вятърната и атомната енергия човеството има натрупан значителен практически опит, беше необходимо време да бъде разработена фотоволтаичната технология за използване на слънчевата енергия и нейната цена да намалее дотолкова, че да стане конкурентно способна.

Енергийните източници могат да бъдат разделени на две големи групи:
•Невъзобновяеми – нефт, газ, въглища и др.
•Възобновяеми – слънце, вятър, вода, биогорива и др.
Възобновяема енергия – това е енергията, получена от източници, които се възстановяват или на практика са неизтощими.

Видове възобновяеми енергийни източници

Възобновяеми енергийни източници (ВЕИ) са:
•слънчевата енергия;
•вятърната енергия;
•водната енергия;
•геотермалната енергия;
•енергия, която се получава от растителна и животинска биомаса.

Слънчевата енергия е достъпна от изгрев до залез. Слънцето е най-големият енергиен източник, чиято енергия ползваме от незапомнени времена. На нея се дължи животът на планетата ни. Използването на слънчевата енергия има своите особености. Слънцето постоянно се движи върху небосвода.
През зимата неговата траектория е по-ниска и по-къса, като слънчевите лъчи минават през по-дебел пласт въздух, който задържа част от енергията им. Затова и през зимата получаваме по-малко слънчева енергия.
През лятото обратно, траекторията на Слънцето върху небосвода е по-дълга и по-висока, по-голяма част от слънчевите лъчи достигат до земната повърхност и затоплят както нея, така и атмосферата.
Хоризонтална среднодневна глобална радиация в София по месеци Wh/m2/day (по данни от PVGIS)
Част от слънчевия спектър е видим за хората. Слънчевата енергия, която носи пълния слънчев спектър (от 250 до 4000 nm), се нарича слънчева радиация. Видимата за хората част от нея (от 400 до 700 nm) е слънчевата светлина. От незапомнени времена растенията, животните и хората се възползват от енергията на Слънцето. Чрез фотосинтезата растенията превръщат слънчевата енергия във вид енергия, която по-късно могат да използват. Консумирайки растения и животни, хората се възползват от акумулираната в тях слънчева енергия. Слънцето загрява въздуха и повърхността на планетата, така че тя да е в състояние да поддържа температури, подходящи за живота.

Слънчевата енергия може да се използва в една от следните две форми:
•Топлинна енергия: слънцето загрява вода, въздух, масло или някакъв друг флуид, който после отдава топлината си в сградата.
•Електрическа енергия: с помощта на фотоволтаични панели слънчевата енергия се превръща в електричество.
Соларни панели:
а) топлинни колектори за затопляне на вода; б) фотоволтаични соларни панели.
На соларната енергетика се възлагат големи надежди. За последните 35 години цената на фотоволтаичните модули намаля сто пъти – от 76.7 $/W на 0.74 $/W. Някои от eвропейските страни, които са ориентирани към 100% възобновяеми енергии, силно разчитат на слънчевата енергия.

Вятърна енергия – тя е възобновяем вид енергия и представлява кинетичната енергия на въздушните маси в атмосферата. Тя се превръща в полезна форма на енергия, в една от следните две форми:
•Механична енергия: вятърът е използван за задвижване на платноходи, за помпане на вода за напояване, или за задвижване на вятърни мелници.
•Електрическа енергия: с помощта на електрически генератори силата на вятъра може да се превърне в електричество.
Вятърната енергетика е бурно развиващ се отрасъл. Вятърната енергия е чиста, без вредни емисии. Конструирането на ветрогенератори не се посреща с ентусиазъм от всички, най-вече заради някои странични ефекти върху околната среда – разливане на смазочни материали и хидравлични течности, промени в микроклимата, опасност за птиците, загрозяване на пейзажа и други.

Водната енергия се използва във ВЕЦ и ПАВЕЦ. Това са изкуствено създадени системи за използване на кинетичната енергия на водните маси. Те имат своите недостатъци:
•Строежът им е продължителен и скъп, а възвращаемостта е бавна.
•Променя се местният климат.
•Настъпват нежелани промени във флората и фауната.
•Заливат се големи площи земеделска земя, стопански, исторически и др. обекти.
•Увеличават се свлачищата и ерозията.

Геотермална енергия е топлинна енергия, идваща от Земята. Тя е екологично чиста и постоянна. Ресурсите на геотермална енергия се простират от плиткото до горещите води и горещите скали, намиращи се на повече километри под земната повърхност. Почти навсякъде плиткият подпочвен слой или горните 3 м от земната повърхност поддържат постоянна температура между 10° и 16°С. Геотермалните топлинни помпи могат да стигнат до този ресурс за отопляване и охлаждане на сгради. Една система с геотермална топлинна помпа се състои от топлинна помпа, въздухопровод и топлообменна система – система от тръби, заровени в плиткия почвен слой близо до сградата.
През зимата топлинната помпа отнема топлина от топлообменната система и я впомпва във входа на въздухопровода. През лятото процесът е обратен и топлинната помпа придвижва топлина от входа на въздухопровода в топлообменната система. През лятото отнеманата от входа на въздухопровода топлина може да се използва и като безплатно средство за топла вода. Геотермалната енергия се използва широко
в редица страни за отоплението на сгради (Швеция и Финландия), както и за производството на електрическа енергия (Исландия).

Биогорива и биогаз

След първата петролна криза от 1973 г. биомасата се счита за енергиен заместител на изкопаемите горива. Тя се използва като основа за производста на биогорива, които заместват конвенционалния бензин и дизел. Двата най-разпространени вида горива са етанол и биодизел. Основните групи източници на биомаса са:
•Растителни енергийни култури (рапица, соя, слънчоглед, захарно цвекло, зърнени култури);
•Дървесни енергийни култури;
•Селскостопански култури (царевица);
•Водни култури (водорасли);
•Битови отпадъци.
Спорен е въпросът за нетния енергиен баланс на технологиите за отглеждане на биокултури – дали производственият процес не поглъща повече енергия, отколкото добива. Според някои учени емисиите на N2O от изгарянето на горива от рапица и царевица допринасят повече за глобалното затопляне от изгарянето на изкопаеми горива.

Предимства на възобновяемата енергия

Възобновяемата енергия се нарича още и „зелена енергия”, понеже тя е изключително важна за устойчивото развитие. Нейните предимства могат да се разглеждат в 4 насоки:
•Намалено влияние върху изменението на климата – ВЕИ имат по-нисък въглероден отпечатък по време на строителството и почти нулев по време на експлоатацията им.
•Достъпност и сигурност на доставките на енергия – слънцето, вятърът и водата са налични почти навсякъде и са безплатни. Чрез тях всяка държава може да бъде независима от внос на енергия от други страни.
•Дългосрочните икономически изгоди: тенденцията е цените на ВЕИ да спадат, а на изкопаемите горива да нарастват.
•Населението одобрява екологично чистата енергия.
Не всички ВЕИ имат еднакво малък въглероден отпечатък. Но и също така не е еднакво лесно да се разчита на всички ВЕИ. Биогоривата са по-лесни за добиване и използване, но отделените от тях емисии засилват парниковия ефект. ВЕЦ и ПАВЕЦ са по-трудни за изграждане и създават някои екологични проблеми. Слънцето не грее и вятърът не вее през цялото денонощие.
Няма панацея във вид на ВЕИ. В зависимост от местните климатични дадености, един или друг вид ВЕИ се явява най-подходящ. Обаче с оглед на ограниченото време на добив на енергия най-доброто решение е да се комбинират няколко типа ВЕИ, за да може недостатъкът на всеки от тях да се компенсира от предимствата на друг.
Прогноза за оползотворяване потенциала на ВЕИ в България до 2020 г.

Данни за дяловете на различните ВЕИ в Европа към 2013 г.
Към 2015 година делът на възобновяемите енергийни източници (ВЕИ) в общото потребление на енергия в България възлиза на 20%. По този показател страната преизпълнява заложените от Европейската комисия цели за стимулиране на производството на зелена енергия до 2020 година.
Швеция има дял на ВЕИ от 52%, Латвия – 37.1%, Финландия – 36.8%, Германия – 33% и Австрия с 32%. Рекордьор е Исландия със 100% (75% от ВЕЦ, 25% от геотермални централи).

Съхраняване на енергията за последващо ползване

Причини за необходимостта от съхраняване на енергия
Слънчевата енергия се характеризира с променливост. Тя се променя със сезоните, а през деня зависи от височината на слънцето над хоризонта и от облачността. Всичко това създава неравномерност и флуктуации в произвежданата от нея електрическа енергия. Освен това обичайно максималното количество произвеждана енергия не съвпада по часове с максимално потребление.
По подобен начин и ветровата енергия не е достъпна постоянно. В някои сезони има по-силни ветрове, в други има безветрие. Затова при ВЕИ се налага да се вземат допълнителни мерки, за да може неравномерността в производството да не пречи на потреблението. Една възможна мярка е произведената от сградите енергия да се включи в градската (или националната) електроразпределителна мрежа. Това нивелира достъпа до енергия независимо от климатичните условия над конкретната къща и град. В случай на необходимост се включват енергийни източници от типа на ПАВЕЦ, които също са базирани на възобновяеми източници на енергия.
Другият начин да се преодолее проблема с неравномерното производство е съхраняването на произведената „свръх”- енергия за периоди, когато тя ще е нужна. Така произведената през деня енергия ще може да се ползва през нощта, флуктуациите на енергията ще бъдат погасявани и няма да се отразяват на консумацията.

Методи за съхраняване на енергия

Един от отдавна известните методи за съхраняване на големи количества енергия се прилага в ПАВЕЦ (помпеноакумулиращи водноелектрически централи):
•при излишък на електроенергия големи количества вода се вдигат към по-висок резервоар;
•при нужда падащата от горното в долното водохранилище вода задвижва хидравличните турбини и генераторите произвеждат електрическа енергия.
Големи надежди се възлагат на различни типове батерии (акумулатори). Такъв пример е използването на слънчева енергия за нощно улично осветление, като произведената през деня енергия се съхранява в акумулаторни батерии и се използва след залез слънце.
Съществува разработка за умно улично осветление, което се задейства само при преминаване на пешеходци, автомобили и чиято сила е оптимизирана в зависимост от средата. Така движещият се през нощта обект ще бъде съпровождан от „светлинна вълна” при цялото си пътуване.
Разработват се както батерии с по-малък капацитет, подходящ за едно домакинство, така и по- големи батерии, подходящи за обслужването на цял квартал или даже град.
Сред известните разработки трябва да се спомене Литиево-йонният акумулатор с капацитет 6-10 MWh Smarter Network Storage в UK с достатъчна енергия за 500-1000 домакинства. Фирмата Siemens също има подобна разработка за намаляване на влиянието на колебанията в производството на електрическа енергия. Тяхната батерия от 500 kWh се побира в обикновен контейнер за превоз и съдържа енергия за средноденонощна консумация на 50 домакинства.

 

С навлизането на електромобилите все по-актуални стават разработките на бързо зареждащи батерии. Зареждането през нощта у дома за 6-8 часа общо взето решава проблема с градското шофиране, но за извънградско пътуване е нужна по-различна технология за бързо зареждане. За пример може да се посочи технологията, разработена от базираната в Йокохама, Япония, JFE Engineering Corporation, която осигурява зареждане на 50% от батерията в рамките само на 3 минути.
Има и други методи за съхраняване на енергията:
• Излишната енергия може да се използва, за да компресира въздух в големи подземни резервоари, който после задвижва турбини.
• Друг вариант е немска технология за производство на синтетичен метан, който се съхранява и при нужда от енергия се изгаря и върти турбини за производство на енергия.
Големи надежди се възлагат на водородната технология с електролизен модул, резервоари и горивна клетка. Работната ефективност на подобни електростанции е около 40%, но може да се подобри и над 60%. Тази технология е чиста, безотпадна и екологична.
Резултатите от горенето на водорода са енергия и вода, която после с помощта на излишната енергия отново се разпада на водород и кислород. Освен това е възможно водородът да се използва като гориво в термоядрен реактор.
В процес на разработване се намират т.н. натриево-йонни батерии. Натрият е евтина, изобилна и екологична суровина. Недостатък е само краткият живот на анода им. Нова разработка добавя към структурата дървесни влакна, и новата батерия е 20 пъти по-трайна от предишните – издържа 400 цикъла на зареждане. Очакванията са този вид батерии да се използват не за дребна електроника, а за съхраняване на големи
количества електроенергия от ВЕИ в комунален мащаб.
Съхраняването на енергията за по-късна употреба спомага за намаляване на броя на централите, базирани на невъзобновяеми енергийни източници. В Калифорния вместо изграждането на нова газова електроцентрала, която да балансира нерегулярното производство на енергия от фотоволтаиците, са решили проблема чрез изграждане на инсталация за съхраняване на енергия с мощност 50 мегавата, която струва 68 млн. долара. Това представлява и успешна мярка срещу аварии в производството на
електроенергия.
Производството на „зелена енергия” и съхраняването ѝ за по-късно полване – това е сърцевината на устойчивата енергетика на бъдещето.
Автор: гл. ас. д-р арх. Ст. Иванова, УАСГ