Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Возобновляемые источники энергии — это солнечное излучение, ветер, текучая и стоячая вода, биомасса и внутреннее тепло Земли, которые восстанавливаются естественным ходом природы. Работы над их практическим применением ведутся активно, но доля ВИЭ в мировом энергобалансе всё ещё невелика. Главная причина — не дефицит энергии, а её «размазанность»: потоки возобновляемой энергии рассеяны по большим площадям и приходят неравномерно, поэтому собирать их дороже, чем сжигать концентрированное топливо.

Какие источники относят к возобновляемым

К ВИЭ относят энергию Солнца (прямое излучение и его производные — ветер, вода, биомасса), глубинное тепло Земли и гравитационное взаимодействие Солнца, Земли и Луны, которое гонит приливы. На практике это шесть направлений:

солнечная энергетика — коллекторы для нагрева воды и фотоэлектрические панели для электричества;
ветроустановки — от малых генераторов для дома до промышленных парков;
гидроэнергетика — крупные ГЭС и малые гидроустановки на ручьях и реках;
геотермальная энергия — горячие источники и низкопотенциальное тепло грунта для тепловых насосов;
биомасса — дрова, отходы растениеводства и животноводства, метан из них;
приливные и волновые станции — пока единичные проекты.

Схема преобразования этих потоков в полезную энергию показана на рисунке ниже.

Качество энергии: что превращается в работу

Возобновляемые источники делят по качеству энергии — доле энергии, которая может быть превращена в работу. У концентрированных механических потоков качество высокое, у рассеянного тепла — низкое:

Группа источников	Качество энергии	Примеры
Высококачественные механические потоки	30–75 %	ветроустановки — 30 %, гидроустановки — 60 %, волновые и приливные станции — до 75 %
Тепловые потоки	до 35 %	прямое и рассеянное солнечное излучение, биотопливо
Фотохимические и фотоэлектрические	около 15 %	фотосинтез, солнечные элементы

Практический смысл классификации простой: чем выше качество, тем компактнее станция при той же мощности. Гидроустановка с качеством 60 % окупает свою площадь плотнее, чем солнечные панели с качеством около 15 % — поэтому «солнечные поля» занимают гектары, а машинный зал ГЭС — сотни квадратных метров.

Достоинства ВИЭ

Неисчерпаемость. Ресурс не истощается в отличие от газа, угля и нефти — главный аргумент на длинном горизонте.
Ноль выбросов при работе. Солнечная панель и ветряк не дымят: выбросы есть только при производстве оборудования.
Локальность. Энергия вырабатывается там же, где потребляется, — не нужны дальние перевозки топлива и магистрали. Для удалённых посёлков, ферм и вахтовых посёлков это часто единственный рациональный вариант.
Комбинированность. Один источник даёт несколько продуктов: отходы животноводства и растениеводства на ферме превращаются в метан, жидкое и твёрдое топливо и удобрения.

Недостатки и ограничения

Главные минусы ВИЭ следуют из их природы:

Периодичность. Солнце садится, ветер стихает, река мелеет — мощность установки колеблется, и без накопителей или дублирующего источника такую энергию нельзя считать надёжной.
Низкая плотность потока. Квадратный метр земной поверхности получает в лучшем случае около киловатта солнечной мощности — поэтому коллекторные поля занимают большие площади.
Дорогие вложения. Киловатт установленной мощности ВИЭ стоит дороже киловатта сжигания топлива, а окупаемость растягивается на годы.
Зависимость от региона. Экономику решают местные условия: среднегодовая скорость ветра, число солнечных часов, наличие реки или геотермальных вод.

Поэтому ВИЭ пока дополняют традиционную энергетику, а не заменяют её: их ставят там, где топливо везти далеко, а локальный ресурс стабилен.

Когда возобновляемая энергия целесообразна

Рациональные сценарии для частного хозяйства и малого предприятия:

Горячая вода от солнца. Самый быстрый по возврату вариант — солнечный водонагреватель для душа и бассейна; простую самодельную конструкцию разбирали в статье «Солнечные водонагреватели своими руками».
Тепловой насос. Отбирает низкопотенциальное тепло воздуха, грунта или воды — направление разбирают материалы про тепловые насосы и их виды.
Биогаз на ферме. Навоз и растительные отходы дают метан для котла или кухонной плиты и готовое удобрение.
Дом с минимальным потреблением. Сначала снижают теплопотери (см. пассивный дом и введение в энергосбережение), и только потом ставят солнечные панели — иначе мощности уйдут на компенсацию собственной расточительности.

Общий порядок такой: сначала энергосбережение и утепление, затем собственный возобновляемый источник — и лишь в последнюю очередь расширение традиционного снабжения.

Типичные заблуждения

«Солнечные панели греют дом». Фотоэлементы дают электричество, не тепло; для отопления — солнечные коллекторы, и как дополнение, а не единственный источник.
«Ветряк окупается за год». Реальная выработка — 20–30 % от номинала из-за непостоянства ветра: окупаемость — годы.
«Геотермальное отопление — только для Исландии». Тепловые насосы с грунтовым контуром работают в любом климате, но это не горячие источники — насос тратит электричество.

Возобновляемые источники в цифрах

Солнечный коллектор 2 м²: 7 кВт·ч тепла/день (5 кВт·ч/м² инсоляции × 0,7 КПД) — нагрев 100 л воды на 60 °C;
Ветряк 5 кВт: реальная выработка 1–1,5 кВт средней мощности;
Тепловой насос COP 4: на 1 кВт электричества — 4 кВт тепла из грунта;
ГЭС малая: КПД 85–90 % при постоянном потоке воды;
ТБО: теплотворность 8–10 МДж/кг (дрова — 15, уголь — 25–30).

Частые вопросы

Какие источники энергии называют возобновляемыми?

Солнечное излучение, ветер, воду, биомассу, внутреннее тепло Земли и энергию приливов — они восстанавливаются естественным ходом природы и не истощаются при использовании.

Почему ВИЭ пока не вытеснили традиционную энергетику?

Из-за периодичности и низкой плотности потоков: станции получаются дорогими и большими, а без накопителей и резервного источника такую энергию нельзя гарантировать потребителю.

Что такое качество энергии источника?

Это доля энергии, которая может быть превращена в работу: у ветроустановок — около 30 %, у гидроустановок — около 60 %, у волновых и приливных станций — до 75 %, у тепловых потоков (солнечное тепло, биотопливо) — не более 35 %.

Какой возобновляемый источник выгоднее для частного дома?

Для горячей воды — солнечный коллектор: он прост и окупается за несколько лет. Для отопления — тепловой насос, но с расчётом под участок. Ветрогенератор оправдан только при стабильном ветре от 5 м/с, которого в средней полосе обычно нет.

Можно ли обойтись только ВИЭ?

Можно — при условии накопителей, резервного генератора и жёсткой экономии энергии. Автономные дома на солнце и аккумуляторах существуют, но стоимость оборудования в разы выше подключения к сети.

Что такое биогаз и как его получают?

Биогаз — смесь метана (60 %) и углекислого газа из анаэробного сбраживания органики: навоз, пищевые отходы, силос. Один куб биогаза эквивалентен 0,6 м³ природного газа.

Можно ли использовать солнечные панели зимой?

Да, но выработка падает на 50–80 % из-за короткого дня и облачности. Панели работают от света, а не от тепла: мороз не мешает, но снег на панели нужно счищать.

Источники

ГОСТ Р 51594-2000 «Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Термины и определения» — терминология солнечного направления.
Классификация источников по качеству энергии и проценты превращения в работу — по учебной литературе по нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии.