Введение

Методы получения энергии для производства

Развитие энергетики – это сфера деятельности, направленная на получение источников энергии из природных ресурсов. Эта деятельность включает в себя производство возобновляемых, ядерных и ископаемых источников энергии, а также восстановление и повторное использование энергии, которая в противном случае была бы потеряна. Меры по энергосбережению и повышению энергоэффективности снижают потребность в развитии энергетики и могут принести пользу обществу за счет улучшения экологической ситуации. Общество использует энергию для транспорта, производства, освещения, отопления, кондиционирования воздуха и связи в промышленных, коммерческих и бытовых целях. Энергетические ресурсы могут классифицироваться как первичные, когда ресурс может использоваться в основном в исходной форме, или как вторичные, когда источник энергии необходимо преобразовать в более удобную для использования форму. Невозобновляемые ресурсы значительно истощаются в результате использования человеком, в то время как возобновляемые ресурсы производятся непрерывными процессами, способными поддерживать неограниченную эксплуатацию. Тысячи людей заняты в энергетической отрасли. Традиционная отрасль включает в себя нефтяную, газовую, электроэнергетическую и атомную промышленность. Новые энергетические отрасли включают в себя отрасль возобновляемой энергетики, охватывающую альтернативное и устойчивое производство, распределение и продажу альтернативных видов топлива.

Классификация ресурсов

Энергетические ресурсы могут быть классифицированы как первичные ресурсы, пригодные для конечного использования без преобразования в другую форму, или вторичные ресурсы, когда полезная форма энергии требует существенного преобразования из первичного источника. Примерами первичных энергетических ресурсов являются энергия ветра, солнечная энергия, древесное топливо, ископаемое топливо, такое как уголь, нефть и природный газ, и уран. Вторичные ресурсы – это, например, электричество, водород или другие синтетические виды топлива. Другая важная классификация основана на времени, необходимом для восстановления энергетического ресурса. "Возобновляемые" ресурсы – это те, которые восстанавливают свою способность производить энергию в течение времени, значимого для человеческих потребностей. Примерами служат гидроэнергия или энергия ветра, когда природные явления, являющиеся основным источником энергии, продолжаются и не истощаются в результате человеческого потребления. Невозобновляемые ресурсы – это те, которые значительно истощаются при использовании человеком и не восстанавливают свой потенциал в течение жизни человека. Примером невозобновляемого источника энергии является уголь, который формируется естественным образом со скоростью, недостаточной для поддержания человеческого потребления.

Ископаемое топливо

Источники ископаемого топлива (первичные невозобновляемые ископаемые) сжигают уголь или углеводородные топлива, которые являются остатками разложения растений и животных. Существует три основных вида ископаемого топлива: уголь, нефть и природный газ. Другое ископаемое топливо, сжиженный нефтяной газ (СНГ), в основном получается при производстве природного газа. Тепло от сжигания ископаемого топлива используется либо непосредственно для отопления помещений и технологических процессов, либо преобразуется в механическую энергию для транспортных средств, промышленных процессов или выработки электроэнергии. Эти ископаемые виды топлива являются частью углеродного цикла и позволяют высвобождать солнечную энергию, накопленную в топливе. Использование ископаемого топлива в 18 и 19 веках заложило основу для промышленной революции. В настоящее время основную часть мировых первичных источников энергии составляют ископаемые виды топлива. В 2005 году 81% мировых потребностей в энергии удовлетворялось за счет ископаемых источников. Технологии и инфраструктура для использования ископаемого топлива уже существуют. Жидкие топлива, получаемые из нефти, обеспечивают большое количество полезной энергии на единицу веса или объема, что выгодно по сравнению с источниками с низкой плотностью энергии, такими как аккумуляторы. В настоящее время ископаемое топливо экономически выгодно для децентрализованного энергоснабжения. Энергетическая зависимость от импортного ископаемого топлива создает риски для энергетической безопасности зависимых стран. Особенно нефтяная зависимость привела к войнам, финансированию экстремистов, монополизации и социально-политической нестабильности. Ископаемое топливо – это невозобновляемый ресурс, который со временем будет сокращаться и истощаться. Хотя процессы, создающие ископаемое топливо, продолжаются, топливо потребляется гораздо быстрее, чем скорость его естественного восполнения. Добыча топлива становится все более дорогостоящей по мере того, как общество истощает наиболее доступные месторождения. Добыча ископаемого топлива приводит к деградации окружающей среды, например, открытый способ добычи и удаление горных вершин при добыче угля. Топливная эффективность – это форма тепловой эффективности, означающая эффективность процесса, который преобразует химическую потенциальную энергию, содержащуюся в топливе-носителе, в кинетическую энергию или работу. Экономичность топлива – это энергоэффективность конкретного транспортного средства, выражаемая как отношение пройденного расстояния к единице потребленного топлива. Удельная эффективность по весу (эффективность на единицу веса) может быть указана для грузоперевозок, а также удельная пассажирская эффективность (эффективность транспортного средства) на одного пассажира. Неэффективное атмосферное сжигание ископаемого топлива в транспортных средствах, зданиях и электростанциях способствует образованию городских тепловых островов. Добыча нефти в традиционном понимании достигла пика, по консервативным оценкам, в период с 2007 по 2010 год. В 2010 году было подсчитано, что для поддержания текущего уровня производства в течение 25 лет потребуется инвестировать 8 триллионов долларов в невозобновляемые ресурсы. В 2010 году правительства субсидировали ископаемое топливо на сумму около 500 миллиардов долларов в год. Ископаемое топливо также является источником выбросов парниковых газов, что вызывает опасения по поводу глобального потепления, если потребление не будет сокращено. Сжигание ископаемого топлива приводит к выбросу загрязняющих веществ в атмосферу. Ископаемое топливо в основном состоит из углеродных соединений. В процессе сгорания выделяется углекислый газ, а также оксиды азота, сажа и другие мелкие частицы. Углекислый газ является основным фактором, способствующим недавним изменениям климата. Другие выбросы от электростанций, работающих на ископаемом топливе, включают диоксид серы, оксид углерода (CO), углеводороды, летучие органические соединения (ЛОС), ртуть, мышьяк, свинец, кадмий и другие тяжелые металлы, включая следы урана. Типичная угольная электростанция генерирует миллиарды киловатт-часов электроэнергии в год.

Расщепление

Ядерная энергия – это использование ядерного деления для выработки полезного тепла и электроэнергии. Деление урана обеспечивает почти всю экономически значимую ядерную энергию. Термоэлектрические генераторы на радиоизотопах составляют очень небольшую долю в производстве энергии, в основном в специализированных областях применения, таких как глубококосмические аппараты. Ядерные электростанции, за исключением реакторов, установленных на судах, обеспечивали около 5,7% мировой энергии и 13% мирового производства электроэнергии в 2012 году. В 2013 году МАГАТЭ сообщило о 437 действующих ядерных реакторах в 31 стране, хотя не все реакторы вырабатывают электроэнергию. Кроме того, в настоящее время эксплуатируется около 140 кораблей с ядерной энергетической установкой, оснащенных примерно 180 реакторами. По состоянию на 2013 год получение чистой энергии от устойчивых реакций ядерного синтеза, за исключением естественных источников энергии синтеза, таких как Солнце, остается областью международных физических и инженерных исследований. Более чем через 60 лет после первых попыток коммерческое производство энергии посредством термоядерного синтеза маловероятно до 2050 года. Вокруг ядерной энергетики ведутся постоянные дебаты. Сторонники, такие как Всемирная ядерная ассоциация, МАГАТЭ и Экологи за ядерную энергию, утверждают, что ядерная энергия является безопасным, устойчивым источником энергии, который снижает выбросы углерода. Противники утверждают, что ядерная энергия представляет множество угроз для людей и окружающей среды. К авариям на атомных электростанциях относятся катастрофа на Чернобыльской АЭС (1986), авария на АЭС Фукусима-Дайити (2011) и авария на Три-Майл-Айленд (1979). Анализ показывает, что с точки зрения числа погибших на единицу выработанной энергии, ядерная энергия привела к меньшему числу смертей на единицу выработанной энергии, чем другие основные источники производства энергии. Производство энергии из угля, нефти, природного газа и гидроэнергии привело к большему числу смертей на единицу выработанной энергии из-за загрязнения воздуха и последствий энергетических аварий. Однако экономические издержки аварий на атомных электростанциях высоки, и для ликвидации их последствий могут потребоваться десятилетия. Также значительны человеческие издержки, связанные с эвакуацией пострадавшего населения и потерей средств к существованию. Сравнение латентных смертей от рака, вызванных ядерной энергетикой, с непосредственными смертями от других источников энергии на единицу выработанной энергии (GWeyr). В данном исследовании не учитываются случаи рака, связанные с ископаемым топливом, и другие косвенные смерти, вызванные потреблением ископаемого топлива, в классификации "тяжелых аварий", которая включает аварии с более чем пятью погибшими. По данным МАГАТЭ, по состоянию на 2012 год в мире строилось 68 гражданских ядерных реакторов в 15 странах. В Соединенных Штатах на АЭС Vogtle строятся два новых реактора третьего поколения. Представители атомной промышленности США ожидают ввода в эксплуатацию пяти новых реакторов к 2020 году, все на существующих АЭС. В 2013 году были окончательно закрыты четыре старых, неконкурентоспособных реактора. Недавние эксперименты по извлечению урана используют полимерные канаты, покрытые веществом, которое избирательно поглощает уран из морской воды. Этот процесс может сделать значительные объемы урана, растворенного в морской воде, пригодными для производства энергии. Поскольку текущие геологические процессы доставляют уран в море в количествах, сопоставимых с количеством, которое будет извлечено этим процессом, в определенном смысле уран, содержащийся в море, становится устойчивым ресурсом. Ядерная энергия является источником низкоуглеродной генерации электроэнергии, анализ литературы по интенсивности выбросов в течение всего жизненного цикла показывает, что она сопоставима с возобновляемыми источниками при сравнении выбросов парниковых газов (ПГ) на единицу выработанной энергии. С 1970-х годов ядерное топливо заменило около 64 гигатонн эквивалента углекислого газа (GtCO2 eq) парниковых газов, которые в противном случае образовались бы в результате сжигания нефти, угля или природного газа на электростанциях, работающих на ископаемом топливе.

Поэтапное прекращение и отмена ядерной энергетики

Ядерная авария на Фукусиме-Даичи в 2011 году, произошедшая на реакторе конструкции 1960-х годов, побудила к пересмотру вопросов ядерной безопасности и политики в области ядерной энергетики во многих странах. После Фукусимы в 2011 году Международное энергетическое агентство сократило вдвое свою оценку дополнительной ядерной генерирующей мощности, которую планировалось построить к 2035 году.

Экономика деления

[[Файл:Глобальная общественная поддержка источников энергии (Ipsos 2011).png|thumb|Низкий уровень глобальной общественной поддержки ядерного деления после аварии на Фукусиме (опрос Ipsos, 2011). Там, где доступен дешевый газ и его будущие поставки относительно надежны, это также представляет серьезную проблему для ядерных проектов. Ранее многие риски, связанные со стоимостью строительства, эксплуатационными характеристиками, ценой топлива и другими факторами, несли потребители, а не поставщики. Многие страны либерализовали рынок электроэнергии, где эти риски, а также риск появления более дешевых конкурентов до возмещения капитальных затрат, теперь несут поставщики и операторы электростанций, а не потребители, что приводит к существенно иной оценке экономической целесообразности строительства новых атомных электростанций.

Расходы

Стоимость эксплуатации действующих и строительства новых атомных электростанций, вероятно, возрастет из-за ужесточения требований к обращению с отработавшим ядерным топливом на площадке и усиления проектных угроз. В то время как проекты нового поколения, такие как строящиеся реакторы EPR, отстают от графика и превышают бюджет, из семи южнокорейских реакторов APR 1400, находящихся в настоящее время в стадии строительства по всему миру, два строятся в Южной Корее на АЭС Ханул, а четыре – на крупнейшем в мире (по состоянию на 2016 год) проекте строительства атомной станции в Объединенных Арабских Эмиратах, на планируемой АЭС Барака. Первый реактор, Барака-1, завершен на 85% и соответствует графику подключения к энергосети в 2017 году. Два из четырех строящихся реакторов EPR (в Финляндии и Франции) значительно отстают от графика и существенно превышают смету.

Возобновляемые источники

Мощность возобновляемых источников энергии неуклонно растет, в основном благодаря солнечной фотоэлектрической энергии. Возобновляемая энергия обычно определяется как энергия, получаемая из ресурсов, которые естественным образом восстанавливаются в течение жизни человека, таких как солнечный свет, ветер, дождь, приливы, волны и геотермальное тепло. Возобновляемая энергия заменяет традиционные виды топлива в четырех основных областях: производство электроэнергии, горячее водоснабжение и отопление, моторное топливо и энергоснабжение сельских (не подключенных к сети) районов. С учетом традиционного использования биомассы, около 19% мирового потребления энергии обеспечивается возобновляемыми источниками. Производство энергии за счет энергии ветра становится важным возобновляемым источником, увеличив глобальную мощность ветроэнергетики на 12% в 2021 году. Хотя это справедливо не для всех стран, 58% стран из выборки связали потребление возобновляемой энергии с положительным влиянием на экономический рост. На национальном уровне, по крайней мере, в 30 странах мира возобновляемая энергия уже обеспечивает более 20% энергоснабжения. Прогнозируется, что национальные рынки возобновляемой энергии будут продолжать демонстрировать сильный рост в ближайшее десятилетие и в дальнейшем. В отличие от других источников энергии, возобновляемые источники энергии не так сильно зависят от географического расположения. Кроме того, внедрение возобновляемых источников энергии приносит экономические выгоды и способствует борьбе с изменением климата. Электрификация сельских районов была изучена на множестве площадок, и были выявлены положительные эффекты на коммерческие расходы, использование бытовой техники и общую деятельность, требующую электроэнергии. Рост возобновляемой энергетики как минимум в 38 странах обусловлен высокими темпами потребления электроэнергии. Международная поддержка продвижения возобновляемых источников, таких как солнечная и ветровая энергия, продолжает расти. Хотя многие проекты в области возобновляемой энергии реализуются в крупном масштабе, возобновляемые технологии также подходят для сельских, отдаленных районов и развивающихся стран, где энергия часто имеет решающее значение для развития человека. Для обеспечения устойчивого развития человечества правительства по всему миру начинают изучать потенциальные способы внедрения возобновляемых источников энергии в свои страны и экономики. Например, Департамент энергетики и изменения климата Великобритании в рамках программы "Пути к 2050 году" разработал метод картографирования для информирования общественности о конкуренции за землю между различными технологиями энергоснабжения. Этот инструмент позволяет пользователям оценить ограничения и потенциал их территории и страны с точки зрения производства энергии.

Биотопливо

Биотопливо – это топливо, содержащее энергию, полученную в результате недавней геологической фиксации углерода. Эти виды топлива производятся из живых организмов. Примеры такой фиксации углерода наблюдаются у растений и микроводорослей. Эти виды топлива получают путем преобразования биомассы (под биомассой понимаются недавно жившие организмы, чаще всего растения или материалы растительного происхождения). Эту биомассу можно преобразовать в удобные энергосодержащие вещества тремя различными способами: термическим преобразованием, химическим преобразованием и биохимическим преобразованием. Преобразование биомассы может привести к получению топлива в твердом, жидком или газообразном виде. Эта новая биомасса может использоваться для производства биотоплива. Популярность биотоплива возросла из-за роста цен на нефть и необходимости обеспечения энергетической безопасности. Биоэтанол – это спирт, получаемый путем ферментации, главным образом из углеводов, содержащихся в сахаросодержащих или крахмалосодержащих культурах, таких как кукуруза или сахарный тростник. Целлюлозная биомасса, получаемая из непищевых источников, таких как деревья и травы, также разрабатывается как сырье для производства этанола. Этанол может использоваться в качестве топлива для транспортных средств в чистом виде, но обычно его используют в качестве добавки к бензину для повышения октанового числа и улучшения выбросов транспортных средств. Биоэтанол широко используется в США и Бразилии. Современные конструкторские решения установок не предусматривают преобразование лигниновой фракции растительного сырья в компоненты топлива путем ферментации. Биодизель производится из растительных масел и животных жиров. Биодизель может использоваться в качестве топлива для транспортных средств в чистом виде, но обычно его используют в качестве добавки к дизельному топливу для снижения уровня твердых частиц, угарного газа и углеводородов в выхлопных газах дизельных двигателей. Биодизель производится из масел или жиров с использованием процесса трансэстерификации и является наиболее распространенным биотопливом в Европе. Однако ведутся исследования по производству возобновляемых видов топлива из декарбоксилирования.

В 2010 году мировое производство биотоплива достигло 105 миллиардов литров (28 миллиардов галлонов США), что на 17% больше, чем в 2009 году, и биотопливо обеспечило 2,7% мирового топлива для автомобильного транспорта, в основном за счет этанола и биодизеля. Мировое производство этанола в 2010 году достигло 86 миллиардов литров (23 миллиарда галлонов США), при этом США и Бразилия являются крупнейшими мировыми производителями, на долю которых приходится 90% мирового производства. Крупнейшим в мире производителем биодизеля является Европейский Союз, на долю которого приходится 53% всего мирового производства биодизеля в 2010 году.

Океанический

Морская возобновляемая энергия (МВЭ) или морская энергия (также иногда называемая энергией океана, океанической энергией или морской и гидрокинетической энергией) относится к энергии, заключенной в механической энергии океанских волн, течений и приливов, градиентах солености и разнице температур океана. Благодаря циклическому характеру океанов, МВЭ обладает потенциалом стать надежным и возобновляемым источником энергии. Движение воды в мировом океане создает огромный запас кинетической энергии, или энергии движения. Эту энергию можно использовать для выработки электроэнергии для питания домов, транспорта и промышленности. Термин "морская энергия" охватывает как энергию волн, то есть энергию поверхностных волн, так и энергию приливов, то есть получаемую из кинетической энергии больших масс движущейся воды. Оффшорная ветроэнергетика не является формой морской энергии, поскольку ветроэнергия происходит от ветра, даже если ветровые турбины расположены над водой. Океаны обладают огромным запасом энергии и находятся вблизи многих, если не большинства, густонаселенных районов. Энергия океана может обеспечить значительный объем новой возобновляемой энергии во всем мире. Технологии морской энергетики находятся на начальной стадии разработки. Для развития МВЭ необходимы эффективные методы хранения, транспортировки и захвата энергии океана, чтобы ее можно было использовать там, где она необходима. За последний год страны по всему миру начали внедрять рыночные стратегии для коммерциализации МВЭ. Канада и Китай ввели стимулы, такие как "зеленые" тарифы (FiT), которые превышают рыночные цены на МВЭ и обеспечивают инвесторам и разработчикам проектов стабильный доход. Другие финансовые стратегии включают субсидии, гранты и финансирование в рамках государственно-частного партнерства (ГЧП). Только в Китае в 2019 году было одобрено 100 океанических проектов. Португалия и Испания признают потенциал МВЭ в ускорении декарбонизации, что имеет основополагающее значение для достижения целей Парижского соглашения. Обе страны сосредоточены на аукционах по солнечной и оффшорной ветроэнергетике для привлечения частных инвестиций, обеспечения экономической эффективности и ускорения роста МВЭ. Ирландия рассматривает МВЭ как ключевой компонент для сокращения своего углеродного следа. План развития морской возобновляемой энергетики (OREDP) поддерживает изучение и развитие значительного оффшорного энергетического потенциала страны. Кроме того, Ирландия внедрила схему поддержки возобновляемой электроэнергии (RESS), которая включает аукционы, предназначенные для оказания финансовой поддержки местным сообществам, повышения технологического разнообразия и обеспечения энергетической безопасности. Однако, несмотря на увеличение объема исследований, существуют опасения, связанные с угрозами для морских млекопитающих, среды обитания и потенциальными изменениями в океанских течениях. МВЭ может стать возобновляемым источником энергии для прибрежных сообществ, помогая им перейти от ископаемого топлива, но исследователи призывают к лучшему пониманию его воздействия на окружающую среду. Поскольку зоны морской энергетики часто изолированы от рыболовства и судоходства, эти зоны могут служить убежищем от людей и хищников для некоторых морских видов. Устройства МВЭ могут стать идеальной средой обитания для многих рыб, ракообразных, моллюсков и ракушек, а также могут косвенно влиять на морских птиц и морских млекопитающих, поскольку они питаются этими видами. Подобные зоны также могут создавать "эффект искусственного рифа", способствуя увеличению биоразнообразия вблизи. Уровень шума, генерируемого технологиями, ограничен, что также способствует возвращению рыб и млекопитающих в район установки. В последнем отчете о состоянии науки в области МВЭ авторы утверждают, что нет никаких доказательств того, что рыбы, млекопитающие или морские птицы получают травмы в результате столкновений, шумового загрязнения или электромагнитного поля. Неопределенность в отношении воздействия на окружающую среду связана с небольшим количеством устройств МВЭ, находящихся в океане на сегодняшний день, и, следовательно, с ограниченным объемом собираемых данных.

100% возобновляемой энергии

Стимулом для использования 100% возобновляемой энергии – для производства электроэнергии, транспорта или даже для обеспечения всего мирового первичного энергоснабжения – стали глобальное потепление и другие экологические, а также экономические проблемы. Использование возобновляемой энергии росло гораздо быстрее, чем кто-либо предполагал. Межправительственная группа экспертов по изменению климата заявила, что существует мало фундаментальных технологических ограничений для интеграции комплекса технологий возобновляемых источников энергии с целью удовлетворения большей части мирового спроса на энергию. На национальном уровне, по крайней мере, в 30 странах мира возобновляемая энергия уже обеспечивает более 20% энергоснабжения. Кроме того, Стивен В. Пакала и Роберт Х. Соколоу разработали серию "стабилизационных клиньев", которые позволяют поддерживать привычный уровень жизни, избегая катастрофических изменений климата, и "возобновляемые источники энергии" в совокупности составляют наибольшее количество этих "клиньев". Марк Джейкобсон утверждает, что производство всей новой энергии за счет ветровой, солнечной и гидроэнергетики к 2030 году осуществимо, а существующие системы энергоснабжения можно будет заменить к 2050 году. Препятствиями для реализации плана перехода на возобновляемую энергию считаются, главным образом, социальные и политические факторы, а не технологические или экономические. Джейкобсон полагает, что стоимость энергии, производимой ветром, солнцем и водой, должна быть сопоставима с сегодняшними затратами на энергию. Аналогично, в Соединенных Штатах независимый Национальный исследовательский совет отметил, что "в стране достаточно внутренних возобновляемых ресурсов, чтобы возобновляемая электроэнергия могла играть значительную роль в будущем производстве электроэнергии, тем самым способствуя решению проблем, связанных с изменением климата, энергетической безопасностью и ростом цен на энергию. Возобновляемая энергия является привлекательным вариантом, поскольку совокупный потенциал возобновляемых ресурсов, доступных в Соединенных Штатах, значительно превышает текущий и прогнозируемый внутренний спрос в электроэнергии". К критикам подхода "100% возобновляемой энергии" относятся Вацлав Смил и Джеймс Э. Хансен. Смил и Хансен выражают обеспокоенность по поводу непостоянства выработки солнечной и ветровой энергии, однако Амори Ловинс утверждает, что энергосеть справится с этим, как она обычно поддерживает работу действующих угольных и атомных электростанций, компенсируя простои других. Компания Google потратила 30 миллионов долларов на проект "Возобновляемая энергия дешевле угля" с целью развития возобновляемой энергетики и предотвращения катастрофических изменений климата. Проект был отменен после того, как было установлено, что даже в наиболее оптимистичном сценарии быстрого развития возобновляемой энергетики выбросы удастся снизить лишь на 55% по сравнению с прогнозами по ископаемому топливу на 2050 год.

Морская перевозка и трубопроводы

Уголь, нефть и продукты их переработки доставляются морским, железнодорожным или автомобильным транспортом. Нефть и природный газ могут также доставляться по трубопроводам, а уголь – по шламопроводам. Такие виды топлива, как бензин и сжиженный нефтяной газ, могут также доставляться самолетами. Для корректной работы газопроводы должны поддерживать определенное минимальное давление. Высокие затраты на транспортировку и хранение этанола часто оказываются нерентабельными.

Беспроводная передача энергии

Беспроводная передача энергии — это процесс, при котором электрическая энергия передаётся от источника питания к электрической нагрузке, не имеющей собственного источника питания, без использования соединительных проводов. Современные технологии ограничены небольшими расстояниями и относительно невысокой мощностью. Орбитальные солнечные электростанции потребуют беспроводной передачи энергии на Землю. Предлагаемый метод заключается в создании мощного луча радиоволн микроволнового диапазона, направленного на приемную антенну на Земле. Реализация такой схемы сопряжена с серьезными техническими трудностями, связанными с обеспечением безопасности и экономической целесообразности.

Хранение

Электростанция Фестиниог в Уэльсе, Соединенном Королевстве. Накопительная гидроэлектроэнергия (PSH) используется для хранения энергии в энергосистеме. Хранение энергии достигается с помощью устройств или физических сред, которые накапливают энергию для последующего полезного использования. Устройство, накапливающее энергию, иногда называют аккумулятором. Все формы энергии являются либо потенциальной (например, химической, гравитационной, электрической, разностью температур, скрытой теплотой и т.д.), либо кинетической (например, импульсом). Некоторые технологии обеспечивают лишь кратковременное хранение энергии, а другие – очень длительное, например, преобразование энергии в газ с использованием водорода или метана, а также хранение тепла или холода между противоположными сезонами в глубоких водоносных горизонтах или в скальных породах. Механические часы с заводом накапливают потенциальную энергию (в данном случае механическую, в виде напряжения пружины), батарея накапливает химическую энергию, легко преобразуемую для работы мобильного телефона, а гидроэлектростанция накапливает энергию в водохранилище в виде гравитационной потенциальной энергии. Резервуары для хранения льда накапливают лед (тепловую энергию в форме скрытой теплоты) ночью для удовлетворения пикового спроса на охлаждение. Ископаемое топливо, такое как уголь и бензин, хранит древнюю энергию, полученную организмами из солнечного света, которые впоследствии погибли, были захоронены и со временем преобразовались в это топливо. Даже пища (которая производится тем же процессом, что и ископаемое топливо) является формой энергии, хранящейся в химической форме.

Устойчивость

Энергопотребление с 1989 по 1999 гг.

Экологическое движение акцентирует внимание на устойчивом использовании и развитии энергетики. Возобновляемая энергия устойчива в процессе производства, поскольку доступные запасы не истощатся в обозримом будущем – в течение миллионов или миллиардов лет. "Устойчивость" также относится к способности окружающей среды справляться с отходами, особенно с загрязнением воздуха. В связи с этим преимущество отдается источникам, не производящим прямых отходов (таким как ветровая, солнечная и гидроэнергетика). С ростом мирового спроса на энергию возрастает необходимость внедрения различных источников энергии. Энергосбережение является альтернативным или дополнительным способом развития энергетики, позволяющим снизить спрос на энергию за счет ее эффективного использования.

Устойчивость

Некоторые наблюдатели утверждают, что идея "энергетической независимости" является нереалистичной и непрозрачной концепцией. Альтернативное предложение "энергетической устойчивости" – это цель, соответствующая экономическим, вопросам безопасности и энергетической реальности. Понятие устойчивости в энергетике было подробно рассмотрено в книге 1982 года "Бритл Пауэр: Энергетическая стратегия для национальной безопасности". Авторы утверждали, что простой переход на отечественные источники энергии не обеспечит безопасности сам по себе, поскольку истинная слабость заключается в часто взаимозависимой и уязвимой энергетической инфраструктуре страны. Ключевые элементы, такие как газопроводы и электросети, часто централизованы и легко подвержены сбоям. Они пришли к выводу, что для национальной безопасности и защиты окружающей среды необходимо "устойчивое энергоснабжение". Они рекомендуют сосредоточиться на энергоэффективности и децентрализованной возобновляемой энергетике. В 2008 году бывший председатель и генеральный директор Intel Corporation Эндрю Гроув обратился к вопросу об энергетической устойчивости, утверждая, что полная независимость невозможна, учитывая глобальный энергетический рынок. Он описывает энергетическую устойчивость как способность адаптироваться к перебоям в поставках энергии. В связи с этим он предлагает США активнее использовать электроэнергию. Электроэнергию можно производить из различных источников. Разнообразный энергетический баланс будет меньше зависеть от перебоев в поставках какого-либо одного источника. Гроув отмечает, что еще одним преимуществом электрификации является то, что электроэнергия "привязана" к месту производства – то есть, электроэнергия, произведенная в США, остается там, поскольку ее нельзя транспортировать за границу. По мнению Гроува, ключевым аспектом развития электрификации и энергетической устойчивости будет переход автомобильного парка США с бензиновых двигателей на электрические. Это, в свою очередь, потребует модернизации и расширения электросети. Как отмечают такие организации, как Институт реформ, достижения в области развития интеллектуальных сетей облегчат возможность сети принимать массовое подключение транспортных средств для зарядки аккумуляторов.

Энергетические технологии

Энергетическая технология – это междисциплинарная инженерная наука, охватывающая эффективное, безопасное, экологически чистое и экономичное извлечение, преобразование, транспортировку, хранение и использование энергии, направленная на достижение высокой эффективности при минимизации негативного воздействия на человека, природу и окружающую среду. Энергия является жизненно важной потребностью для людей, и как ограниченный ресурс, она часто лежит в основе политических конфликтов и войн. Добыча и использование энергетических ресурсов может наносить вред местным экосистемам и иметь глобальные последствия. Энергия также представляет собой способность совершать работу. Мы получаем энергию из пищи. Энергия может существовать в различных формах, таких как кинетическая, потенциальная, механическая, тепловая, световая и другие. Энергия необходима как отдельным людям, так и обществу в целом для освещения, отопления, приготовления пищи, функционирования промышленности, транспорта и т.д. В зависимости от источника, выделяют два основных типа энергии:
1. Возобновляемые источники энергии.
2. Невозобновляемые источники энергии.

Электротехника

Электроэнергетика занимается производством и использованием электрической энергии, что может включать в себя изучение машин, таких как генераторы, электродвигатели и трансформаторы. Инфраструктура включает в себя подстанции и трансформаторные пункты, линии электропередач и электрические кабели. Управление нагрузкой и управление электроэнергией в сетях существенно влияют на общую энергоэффективность. Электрическое отопление также широко применяется и изучается.

Термодинамика

Термодинамика изучает фундаментальные законы преобразования энергии и берет свои корни в теоретической физике.

Тепловая и химическая энергия

Тепловая и химическая энергия тесно связаны с химией и экологическими исследованиями. Процесс сгорания охватывает горелки, химические двигатели всех типов, колосниковые решетки и мусоросжигательные установки, а также их энергоэффективность, загрязнение окружающей среды и безопасность эксплуатации. Технологии очистки выхлопных газов направлены на снижение загрязнения воздуха посредством разнообразных механических, термических и химических методов. Технологии контроля выбросов – это область химической и технологической инженерии. Технология котлов занимается проектированием, строительством и эксплуатацией паровых котлов и турбин (также используемых в атомной энергетике, см. ниже), опираясь на прикладную механику и материаловедение. Преобразование энергии включает в себя двигатели внутреннего сгорания, турбины, насосы, вентиляторы и т.п., применяемые в транспорте, для получения механической энергии и выработки электроэнергии. Высокие тепловые и механические нагрузки порождают вопросы безопасности эксплуатации, которые решаются различными отраслями прикладной инженерной науки.

Ядерная энергия

Ядерные технологии охватывают производство ядерной энергии на ядерных реакторах, переработку ядерного топлива и обращение с радиоактивными отходами, опираясь на прикладную ядерную физику, ядерную химию и науку о радиации. Производство электроэнергии посредством ядерного деления на протяжении десятилетий вызывает политические споры во многих странах, однако эта энергия имеет глобальное значение. Существует надежда, что технологии термоядерного синтеза в будущем заменят большинство реакторов деления, но это пока остается областью научных исследований в ядерной физике.

Возобновляемая энергия

Возобновляемая энергия имеет множество направлений.

Энергия ветра

Ветротурбины преобразуют энергию ветра в электричество, соединяя вращающийся ротор с генератором. Ветровые турбины извлекают энергию из атмосферных потоков и проектируются с применением аэродинамики, а также знаний из области механики и электротехники. Ветер обтекает аэродинамические лопасти ротора, создавая область повышенного и область пониженного давления по обе стороны лопасти. Разница в давлении воздуха формирует силы подъема и сопротивления. Сила подъема превосходит силу сопротивления, поэтому ротор, соединенный с генератором, начинает вращаться. Энергия вырабатывается в результате преобразования аэродинамической силы во вращение генератора. Признанная одним из наиболее эффективных возобновляемых источников энергии, ветроэнергетика становится все более востребованной и широко используемой в мире. Ветроэнергетика не требует использования воды в процессе производства энергии, что делает ее подходящим источником для регионов с ограниченными водными ресурсами. Производство ветровой энергии возможно даже при изменении климата согласно современным прогнозам, поскольку она зависит исключительно от наличия ветра.

Геотермальная энергия

Глубоко внутри Земли находится слой расплавленной породы, производящий экстремальное тепло, называемый магмой. Очень высокие температуры магмы нагревают находящиеся поблизости подземные воды. Для использования этого тепла разработаны различные технологии, такие как различные типы электростанций (сухого типа, с мгновенным паром или бинарного цикла), тепловые насосы или скважины. Эти процессы извлечения тепла включают в себя инфраструктуру, которая в той или иной форме содержит турбину, приводимую в движение либо горячей водой, либо паром, образующимся при ее нагреве. Вращающаяся турбина, соединенная с генератором, вырабатывает энергию. Более современная инновация – использование неглубоких замкнутых систем, которые накачивают тепло к и от сооружений, используя постоянную температуру почвы на глубине около 3 метров.

Гидроэнергетика

Гидроэнергетика извлекает механическую энергию из рек, океанских волн и приливов. В гражданском строительстве применяются исследования и возведение плотин, туннелей, водных путей, а также управление прибрежными ресурсами с использованием гидрологии и геологии. Водяная турбина с низкой скоростью вращения, приводимая в движение потоком воды, может питать электрогенератор для выработки электроэнергии.

Биоэнергия

Биоэнергетика охватывает сбор, переработку и использование биомассы, полученной в результате биологического производства, сельского хозяйства и лесного хозяйства, которую электростанции могут использовать в качестве топлива для сжигания. Из этих технологий можно получать этанол, метанол (оба вызывают споры) или водород для топливных элементов и использовать их для выработки электроэнергии.

Технологии поддержки

Тепловые насосы и аккумулирование тепловой энергии – это классы технологий, позволяющие использовать возобновляемые источники энергии, которые в противном случае были бы недоступны из-за слишком низкой температуры для использования или разрыва во времени между моментом доступности энергии и моментом ее потребности. Повышая температуру доступной возобновляемой тепловой энергии, тепловые насосы обладают дополнительным свойством использования электрической (или, в некоторых случаях, механической или тепловой) энергии для извлечения дополнительной энергии из источника низкого качества (например, морской воды, воды озера, грунта, воздуха или отработанного тепла от технологического процесса). Технологии аккумулирования тепла позволяют хранить тепло или холод в течение периодов времени от нескольких часов или ночи до межсезонных, и могут включать аккумулирование удельной теплоемкости (то есть путем изменения температуры среды) или скрытой теплоты (то есть посредством фазовых переходов среды, например, между водой и водно-ледяной смесью или льдом). Краткосрочные накопители тепла могут использоваться для сглаживания пиковых нагрузок в системах централизованного теплоснабжения или распределения электроэнергии. К видам возобновляемых или альтернативных источников энергии, использование которых становится возможным, относятся природная энергия (например, собираемая с помощью солнечных тепловых коллекторов или сухих градирен, используемых для сбора зимнего холода), вторичная энергия (например, от оборудования ОВК, промышленных процессов или электростанций) или избыточная энергия (например, сезонная от гидроэлектростанций или периодическая от ветровых электростанций). Ярким примером является солнечная коммуна Дрейк Лэндинг (Альберта, Канада). Аккумулирование тепловой энергии в скважинах позволяет сообществу получать 97% тепла в течение года от солнечных коллекторов на крышах гаражей, большая часть тепла собирается летом. Типы накопителей удельной теплоемкости включают изолированные резервуары, кластеры скважин в субстратах от гравия до скальных пород, глубокие водоносные горизонты или неглубокие облицованные котлованы с теплоизоляцией сверху. Некоторые типы накопителей способны хранить тепло или холод между противоположными сезонами (особенно если они очень большие), а для некоторых применений хранения требуется использование теплового насоса. Скрытая теплота обычно аккумулируется в ледяных резервуарах или в так называемых материалах с фазовым переходом (МФП).