Використання енергії Сонця та вітру: глобальний огляд технологій відновлюваної енергетики

Нагальна потреба у вирішенні проблеми зміни клімату та забезпеченні сталого енергетичного майбутнього вивела технології відновлюваної енергетики на передній план світової уваги. Серед них сонячна та вітрова енергія виділяються як найбільш зрілі та широко впроваджені рішення. Цей комплексний огляд розглядає поточний стан сонячних та вітрових енергетичних технологій, досліджуючи їхні досягнення, глобальний вплив, переваги, виклики та майбутній потенціал.

Зростання відновлюваної енергетики: глобальний імператив

Наша залежність від викопного палива мала згубні наслідки для навколишнього середовища, включаючи викиди парникових газів, забруднення повітря та виснаження ресурсів. Визнаючи ці виклики, країни в усьому світі все більше зобов'язуються переходити до чистіших та більш сталих джерел енергії. Технології відновлюваної енергетики, такі як сонячна та вітрова, пропонують життєздатний шлях до скорочення викидів вуглецю, підвищення енергетичної безпеки та стимулювання економічного зростання. Міжнародне енергетичне агентство (МЕА) прогнозує значне збільшення потужностей відновлюваної енергетики в найближчі десятиліття, що зумовлено політичною підтримкою, технологічними досягненнями та зниженням витрат.

Сонячна енергія: використання безмежного потенціалу Сонця

Сонячна енергія використовує променисту енергію сонця для виробництва електроенергії або тепла. Двома основними технологіями сонячної енергетики є фотоелектрична (ФЕ) та концентрована сонячна енергія (КСЕ).

Фотоелектрична (ФЕ) технологія

ФЕ технологія безпосередньо перетворює сонячне світло в електроенергію за допомогою напівпровідникових матеріалів. Коли фотони сонячного світла потрапляють на ФЕ-елемент, вони збуджують електрони, створюючи електричний струм. ФЕ-системи є універсальними і можуть розгортатися в різних масштабах, від невеликих дахових установок до великих сонячних електростанцій.

• Типи ФЕ-елементів: Кристалічні кремнієві (c-Si) елементи, включаючи монокристалічні та полікристалічні, домінують на ринку завдяки своїй високій ефективності та надійності. Тонкоплівкові ФЕ-елементи, виготовлені з таких матеріалів, як телурид кадмію (CdTe) та селенід міді, індію, галію (CIGS), пропонують нижчі витрати, але зазвичай мають нижчу ефективність. Перовськітні сонячні елементи є новою технологією з потенціалом високої ефективності та низьких виробничих витрат.
• Компоненти ФЕ-системи: Типова ФЕ-система складається з сонячних панелей, інверторів (які перетворюють постійний струм на змінний), монтажних конструкцій та систем моніторингу. Системи акумуляторного зберігання енергії часто інтегруються для накопичення надлишкової енергії для подальшого використання, особливо в автономних системах.
• Глобальне розгортання ФЕ: Китай є світовим лідером за потужністю сонячних ФЕ, за ним ідуть США, Індія, Японія та Німеччина. В Європі також спостерігається значне зростання кількості сонячних ФЕ-установок, що зумовлено сприятливою політикою та зниженням витрат.

Технологія концентрованої сонячної енергії (КСЕ)

Технологія КСЕ використовує дзеркала або лінзи для фокусування сонячного світла на приймачі, який нагріває робочу рідину (наприклад, олію, розплавлену сіль). Нагріта рідина потім використовується для виробництва пари, яка приводить у рух турбіну для виробництва електроенергії. Станції КСЕ зазвичай включають системи зберігання теплової енергії (ЗТЕ), що дозволяє їм виробляти електроенергію навіть тоді, коли сонце не світить.

• Типи систем КСЕ: Параболічні жолобні системи використовують вигнуті дзеркала для фокусування сонячного світла на трубчастому приймачі. Баштові сонячні електростанції використовують геліостати (дзеркала) для фокусування сонячного світла на центральному приймачі на вершині вежі. Системи з параболічним відбивачем (dish-Stirling) використовують параболічні тарілчасті відбивачі для фокусування сонячного світла на двигуні Стірлінга, який виробляє електроенергію.
• КСЕ зі зберіганням теплової енергії: Системи ЗТЕ зберігають теплову енергію в таких матеріалах, як розплавлена сіль, що дозволяє станціям КСЕ працювати протягом тривалого часу, навіть під час хмарної погоди або вночі. Ця можливість робить КСЕ цінним ресурсом для забезпечення диспетчеризованої відновлюваної енергії.
• Глобальне розгортання КСЕ: Іспанія, США та Марокко є одними з провідних країн у розгортанні КСЕ. Регіон Близького Сходу та Північної Африки (MENA) має значний потенціал для розвитку КСЕ завдяки своїм багатим сонячним ресурсам.

Переваги сонячної енергії

• Чиста та стала: Сонячна енергія не виробляє викидів парникових газів або забруднювачів повітря під час роботи.
• Багатий ресурс: Енергія сонця практично невичерпна, що забезпечує надійне та стале джерело енергії.
• Універсальність застосування: Сонячну енергію можна використовувати для виробництва електроенергії, опалення, охолодження та очищення води.
• Зниження витрат на енергію: Сонячна енергія може значно зменшити або усунути рахунки за електроенергію, забезпечуючи довгострокову економію коштів.
• Енергетична незалежність: Сонячна енергія може підвищити енергетичну безпеку, зменшуючи залежність від імпорту викопного палива.

Виклики сонячної енергетики

• Переривчастість: Виробництво сонячної енергії залежить від наявності сонячного світла, яке змінюється залежно від часу доби, погодних умов та пори року.
• Землекористування: Великі сонячні електростанції можуть вимагати значних площ землі, що може конкурувати з іншими видами землекористування.
• Вимоги до матеріалів: Виробництво сонячних панелей вимагає таких матеріалів, як кремній, кадмій та індій, що має екологічні та логістичні аспекти.
• Зберігання енергії: Ефективні рішення для зберігання енергії необхідні для вирішення проблеми переривчастості сонячної енергії та забезпечення надійного електропостачання.
• Інтеграція в мережу: Інтеграція великих обсягів сонячної енергії в електромережу може створювати проблеми для стабільності та управління мережею.

Вітрова енергія: використання сили вітру

Вітрова енергія використовує кінетичну енергію вітру для виробництва електроенергії. Вітрові турбіни перетворюють енергію вітру на механічну енергію, яка потім використовується для приводу генератора, що виробляє електроенергію. Вітрові електростанції, що складаються з декількох вітрових турбін, зазвичай розташовуються в районах із сильними та постійними вітрами.

Типи вітрових турбін

• Горизонтально-осьові вітрові турбіни (ГАВТ): ГАВТ є найпоширенішим типом вітрових турбін, що мають лопаті, які обертаються навколо горизонтальної осі. Вони, як правило, вищі за вертикально-осьові вітрові турбіни і можуть вловлювати більше енергії вітру.
• Вертикально-осьові вітрові турбіни (ВАВТ): ВАВТ мають лопаті, що обертаються навколо вертикальної осі. Вони менш поширені, ніж ГАВТ, але мають деякі переваги, такі як здатність вловлювати вітер з будь-якого напрямку та нижчий рівень шуму.

Наземна та офшорна вітрова енергетика

• Наземна вітрова енергетика: Наземні вітрові електростанції розташовані на суші, зазвичай у районах з високою швидкістю вітру. Наземна вітрова енергетика, як правило, дешевша за офшорну.
• Офшорна вітрова енергетика: Офшорні вітрові електростанції розташовані у водоймах, таких як океан або великі озера. Швидкість вітру в офшорних зонах зазвичай вища і стабільніша, ніж на суші, що призводить до більшого виробництва енергії. Проєкти офшорної вітроенергетики, як правило, дорожчі через складнощі будівництва та обслуговування в морських умовах.

Глобальне розгортання вітрової енергетики

Китай, США, Німеччина, Індія та Іспанія є одними з провідних країн за потужністю вітрової енергетики. В Європі також спостерігається значне зростання офшорної вітроенергетики, особливо в Північному морі. Всесвітня рада з вітроенергетики (GWEC) прогнозує подальше зростання кількості вітрових установок у всьому світі, що зумовлено державною політикою та зниженням витрат.

Переваги вітрової енергії

• Чиста та стала: Вітрова енергія не виробляє викидів парникових газів або забруднювачів повітря під час роботи.
• Багатий ресурс: Вітер є легкодоступним та відновлюваним ресурсом.
• Економічно ефективна: Вітрова енергія стає все більш конкурентоспроможною за вартістю з викопним паливом.
• Сумісність землекористування: Вітрові електростанції можуть співіснувати з іншими видами землекористування, такими як сільське господарство та випас худоби.
• Створення робочих місць: Галузь вітроенергетики створює робочі місця у виробництві, монтажі, обслуговуванні та дослідженнях.

Виклики вітрової енергетики

• Переривчастість: Виробництво вітрової енергії залежить від швидкості вітру, яка змінюється залежно від часу доби, погодних умов та місцезнаходження.
• Візуальний вплив: Вітрові турбіни можуть бути візуально нав'язливими, особливо в мальовничих районах.
• Шумове забруднення: Вітрові турбіни можуть створювати шум, який може бути неприємним для мешканців поблизу.
• Вплив на дику природу: Вітрові турбіни можуть становити загрозу для птахів та кажанів.
• Інтеграція в мережу: Інтеграція великих обсягів вітрової енергії в електромережу може створювати проблеми для стабільності та управління мережею.

Технологічні досягнення, що стимулюють зростання відновлюваної енергетики

Постійні технологічні досягнення знижують витрати та покращують продуктивність сонячних та вітрових енергетичних технологій. Ці досягнення включають:

• Високоефективні сонячні елементи: Дослідники розробляють нові матеріали та конструкції сонячних елементів, які можуть перетворювати більший відсоток сонячного світла в електроенергію.
• Більші та ефективніші вітрові турбіни: Виробники вітрових турбін розробляють більші турбіни з довшими лопатями, які можуть вловлювати більше енергії вітру та виробляти більше електроенергії.
• Передові системи зберігання енергії: Акумуляторні накопичувачі, гідроакумулюючі електростанції та інші технології зберігання енергії стають більш доступними та ефективними, що дозволяє краще інтегрувати змінні джерела відновлюваної енергії в мережу.
• Технології розумних мереж (Smart Grid): Технології розумних мереж, такі як передова інфраструктура вимірювання (AMI) та системи управління мережею, підвищують надійність та ефективність електромережі та дозволяють краще інтегрувати джерела відновлюваної енергії.
• Прогнозна аналітика та штучний інтелект: ШІ та машинне навчання використовуються для покращення прогнозування виробництва сонячної та вітрової енергії, оптимізації роботи мережі та зниження витрат на технічне обслуговування.

Роль зберігання енергії у забезпеченні інтеграції відновлюваної енергетики

Зберігання енергії має вирішальне значення для вирішення проблеми переривчастості сонячної та вітрової енергії та забезпечення надійного електропостачання. Системи зберігання енергії можуть накопичувати надлишкову енергію, вироблену в періоди високого виробництва, і вивільняти її в періоди низького виробництва. Найпоширеніші технології зберігання енергії включають:

• Акумуляторні накопичувачі: Літій-іонні акумулятори є найбільш широко використовуваною технологією зберігання енергії для застосувань у масштабах мережі. Також розробляються інші технології акумуляторів, такі як проточні батареї та натрій-іонні батареї.
• Гідроакумулюючі електростанції: Гідроакумулювання передбачає перекачування води з нижнього резервуара у верхній у періоди низького попиту на електроенергію та скидання води назад для виробництва електроенергії в періоди високого попиту.
• Системи зберігання енергії на стисненому повітрі (CAES): CAES передбачає стиснення повітря та його зберігання в підземних печерах. Коли потрібна електроенергія, стиснене повітря вивільняється і використовується для приводу турбіни.
• Системи зберігання теплової енергії (TES): Системи TES зберігають теплову енергію в таких матеріалах, як розплавлена сіль або вода. TES зазвичай використовується разом зі станціями КСЕ для забезпечення диспетчеризованої відновлюваної енергії.
• Зберігання водневої енергії: Водень можна виробляти з води за допомогою електролізу і зберігати для подальшого використання в паливних елементах або газотурбінних установках. Зберігання водневої енергії пропонує потенціал для тривалого зберігання енергії.

Політичні та нормативні рамки для відновлюваної енергетики

Державна політика та нормативно-правова база відіграють вирішальну роль у прискоренні розгортання сонячної та вітрової енергетики. Ефективна політика може створити сприятливе середовище для інвестицій у відновлювану енергетику, сприяти інноваціям та знижувати витрати. Ключові політичні механізми включають:

• Стандарти портфеля відновлюваних джерел (RPS): RPS зобов'язують комунальні підприємства виробляти певний відсоток своєї електроенергії з відновлюваних джерел.
• Зелені тарифи (FIT): FIT гарантують фіксовану ціну на відновлювану енергію, вироблену дрібними виробниками.
• Податкові пільги: Податкові кредити, відрахування та знижки можуть зменшити вартість проєктів з відновлюваної енергетики.
• Ціноутворення на вуглець: Вуглецеві податки та системи торгівлі викидами можуть стимулювати скорочення викидів парникових газів і робити відновлювану енергію більш конкурентоспроможною.
• Правила отримання дозволів та зонування: Спрощені процедури отримання дозволів та зонування можуть скоротити час і вартість розробки проєктів з відновлюваної енергетики.
• Стандарти підключення до мережі: Чіткі та прозорі стандарти підключення до мережі є важливими для забезпечення ефективного підключення проєктів з відновлюваної енергетики до електромережі.

Майбутнє сонячної та вітрової енергії: сталий енергетичний ландшафт

Сонячна та вітрова енергія готові відігравати все більш важливу роль у світовому енергетичному балансі. У міру розвитку технологій та подальшого зниження витрат ці відновлювані джерела енергії стануть ще більш конкурентоспроможними з викопним паливом. Сталий енергетичний ландшафт, ймовірно, буде характеризуватися:

• Високим проникненням відновлюваної енергії: Сонячна та вітрова енергія становитимуть значну частку виробництва електроенергії.
• Розподіленими енергетичними ресурсами: Більше будинків та підприємств вироблятимуть власну електроенергію за допомогою сонячних панелей та інших розподілених енергетичних ресурсів.
• Розумними мережами: Розумні мережі забезпечать кращу інтеграцію змінних джерел відновлюваної енергії, підвищать надійність мережі та розширять можливості споживачів.
• Зберіганням енергії: Системи зберігання енергії відіграватимуть вирішальну роль у збалансуванні попиту та пропозиції та забезпеченні надійного електропостачання.
• Електрифікацією транспорту та опалення: Електромобілі та теплові насоси стануть більш поширеними, зменшуючи залежність від викопного палива в транспортному та опалювальному секторах.
• Міжнародним співробітництвом: Міжнародне співробітництво буде важливим для прискорення глобального енергетичного переходу та вирішення проблеми зміни клімату.

Висновок

Сонячна та вітрова енергія є важливими компонентами сталого енергетичного майбутнього. Завдяки постійним технологічним досягненням, сприятливій політиці та зростаючій обізнаності громадськості, ці відновлювані джерела енергії мають потенціал трансформувати глобальний енергетичний ландшафт та пом'якшити наслідки зміни клімату. Приймаючи сонячну та вітрову енергію, країни можуть створити чистіше, безпечніше та процвітаюче майбутнє для всіх.

Перехід до майбутнього з відновлюваною енергетикою вимагає узгоджених зусиль урядів, бізнесу та окремих осіб. Інвестування в дослідження та розробки, впровадження інноваційних технологій та прийняття сталих практик є вирішальними кроками у використанні повного потенціалу сонячної та вітрової енергії. Разом ми можемо побудувати світ, що живиться чистою, відновлюваною енергією, забезпечуючи здорову планету для майбутніх поколінь.