אנרגיה חלופית לבית: סקירה של מקורות אנרגיה לא סטנדרטיים

מבוא

כל הכלכלה העולמית המודרנית תלויה בעושר שנצבר בתקופת הדינוזאורים: נפט, גז, פחם ודלקים מאובנים אחרים. רוב הפעילויות בחיינו, החל מנסיעה ברכבת התחתית ועד חימום הקומקום במטבח, דורשות בסופו של דבר את שריפת המורשת הפרה-היסטורית הזו. הבעיה העיקרית היא שמשאבי האנרגיה הזמינים הללו אינם מתחדשים. במוקדם או במאוחר, האנושות תשאב את כל הנפט מבטן האדמה, תשרוף את כל הגז ותחפור את כל הפחם. במה נשתמש כדי לחמם קנקני תה אז?

אל לנו גם לשכוח את ההשפעה הסביבתית השלילית של שריפת דלק. עלייה בתכולת גזי החממה באטמוספירה מביאה לעלייה בטמפרטורה הממוצעת בכל כדור הארץ. תוצרי שריפת הדלק מזהמים את האוויר. תושבי ערים גדולות מרגישים זאת היטב.

כולנו חושבים על העתיד, גם אם העתיד הזה לא יבוא איתנו. הקהילה העולמית הכירה זה מכבר במגבלות של דלק מאובנים.וההשפעה השלילית של השימוש בהם על הסביבה. מדינות מובילות כבר מיישמות תוכניות למעבר הדרגתי למקורות אנרגיה ידידותיים לסביבה ומתחדשים.

בכל העולם, האנושות מחפשת ומציגה בהדרגה תחליפים לדלקים מאובנים. במשך זמן רב, תחנות כוח סולאריות, רוח, גאות ושפל, גיאותרמיות והידרואלקטריות פועלות בכל רחבי העולם. נראה שכרגע מה מונע מאיתנו לספק את כל צרכי האנושות בעזרתם?

למעשה, לאנרגיה חלופית יש בעיות רבות. למשל, בעיית החלוקה הגיאוגרפית של משאבי האנרגיה. חוות רוח בנויות רק באזורים שבהם נושבות רוחות חזקות לעתים קרובות, סולאריות - שבהן יש מספר מינימלי של ימים מעוננים, תחנות כוח הידרואלקטריות - בנהרות גדולים. שמן, כמובן, גם לא זמין בכל מקום, אבל קל יותר לספק אותו.

הבעיה השנייה של אנרגיה חלופית היא חוסר יציבות. בחוות רוח, הייצור תלוי ברוח, אשר כל הזמן משנה מהירות או נעצרת כליל. תחנות כוח סולאריות אינן פועלות היטב במזג אוויר מעונן ואינן פועלות כלל בלילה.

לא הרוח ולא השמש מביאות בחשבון את הצרכים של צרכני האנרגיה. יחד עם זאת, תפוקת האנרגיה של תחנת כוח תרמית או גרעינית קבועה ומווסתת בקלות. הפתרון לבעיה זו יכול להיות רק בנייה של מתקני אחסון אנרגיה ענקיים ליצירת רזרבה במקרה של תפוקה נמוכה. עם זאת, זה מייקר מאוד את העלות של המערכת כולה.

בגלל קשיים אלו ועוד רבים אחרים, התפתחות האנרגיה החלופית בעולם מואטת. שריפת דלקים מאובנים עדיין קלה וזולה יותר.

עם זאת, אם בקנה מידה של הכלכלה העולמית מקורות אנרגיה חלופיים אינם מספקים תועלת רבה, אז במסגרת בית בודד הם יכולים להיות מאוד אטרקטיביים.כבר עכשיו, רבים מרגישים את העלייה המתמדת בתעריפים עבור חשמל, חום וגז. מדי שנה, חברות האנרגיה נכנסות עמוק יותר לכיסם של אנשים רגילים.

מומחים מקרן הסיכון הבינלאומית I2BF הציגו את הסקירה הראשונה של שוק האנרגיה המתחדשת. לפי התחזיות שלהם, בעוד 5–10 שנים, טכנולוגיות אנרגיה חלופית יהפכו לתחרותיות יותר ויהפכו לנפוצות. כבר עכשיו, הפער במחיר של אנרגיה חלופית וקונוונציונלית הולך ומצטמצם במהירות.

עלות אנרגיה מתייחסת למחיר שיצרן אנרגיה חלופית רוצה לקבל על מנת לפצות על ההוצאות ההוניות שלו לאורך חיי הפרויקט ולהעניק תשואה של 10% על ההון המושקע. מחיר זה יכלול גם את עלות מימון החוב, שכן רובם ממונפים בכבדות.

הגרף הנתון ממחיש את ההערכה של סוגים שונים של אנרגיה חלופית ומסורתית ברבעון השני של 2011 (איור 1).

אורז. אחד.	הערכה של סוגים שונים של אנרגיה חלופית ומסורתית

על פי הנתונים לעיל, לאנרגיה גיאותרמית, כמו גם לאנרגיה הנוצרת משריפת אשפה וגז מזבלה, יש את העלות הנמוכה ביותר מכל סוגי האנרגיה החלופית. למעשה, הם כבר יכולים להתחרות ישירות באנרגיה המסורתית, אך הגורם המגביל עבורם הוא מספר המקומות המצומצם שבהם ניתן ליישם את הפרויקטים הללו.

למי שרוצה לקבל עצמאות מגחמותיהם של מהנדסי כוח, שרוצים לתרום לפיתוח אנרגיה חלופית, שרק רוצים לחסוך מעט באנרגיה, הספר הזה נכתב.

מתוך ספר V. Germanovich, A. Turilin "מקורות אנרגיה חלופיים.עיצובים מעשיים לשימוש ברוח, שמש, מים, אדמה, אנרגיית ביומסה.

המשך לקרוא כאן

פיתוח מקורות לא מסורתיים

מקורות אנרגיה לא מסורתיים כוללים:

• אנרגיית השמש;
• אנרגיית רוח;
• גיאותרמית;
• אנרגיה של גאות ושפל ים וגלים;
• ביומסה;
• אנרגיה בעלת פוטנציאל נמוך של הסביבה.

נראה שהפיתוח שלהם אפשרי בשל התפוצה בכל מקום של רוב המינים; אפשר גם לציין את הידידותיות הסביבתית שלהם ואת היעדר עלויות תפעול עבור רכיב הדלק.

עם זאת, ישנן כמה תכונות שליליות המונעות את השימוש בהן בקנה מידה תעשייתי. מדובר בצפיפות שטף נמוכה, המאלצת שימוש במתקנים "מיירטים" של שטח גדול, כמו גם שונות לאורך זמן.

כל זה מוביל לכך שלמכשירים כאלה יש צריכת חומרים גבוהה, מה שאומר שגם השקעות ההון גדלות. ובכן, תהליך השגת אנרגיה עקב אלמנט כלשהו של אקראיות הקשור לתנאי מזג האוויר גורם להרבה צרות.

הבעיה הנוספת והחשובה ביותר היא "אחסון" של חומר גלם אנרגיה זה, שכן הטכנולוגיות הקיימות לאגירת חשמל אינן מאפשרות לעשות זאת בכמויות גדולות. עם זאת, בתנאים ביתיים, מקורות אנרגיה חלופיים לבית הופכים ליותר ויותר פופולריים, אז בואו נכיר את תחנות הכוח העיקריות שניתן להתקין בבעלות פרטית.

הכל כל כך חלק?

נראה שטכנולוגיה כזו להפעלת בית פרטי צריכה כבר מזמן לכפות שיטות מרכזיות מסורתיות לספק אנרגיה מהשוק.למה זה לא קורה? יש כמה טיעונים שמעידים שלא בעד אנרגיה חלופית. אבל משמעותם נקבעת על בסיס אינדיבידואלי - עבור חלק מהבעלים של בתים כפריים, חלק מהחסרונות רלוונטיים ואחרים אינם מעניינים כלל.

עבור קוטג'ים כפריים גדולים, היעילות הלא גבוהה מדי של מתקני אנרגיה חלופית יכולה להפוך לבעיה. מטבע הדברים, לא ניתן להשוות מערכות סולאריות מקומיות, משאבות חום או מתקנים גיאותרמיים עם התפוקה של תחנות כוח הידרואלקטריות הוותיקות ביותר, תחנות כוח תרמיות ועוד יותר מכך תחנות כוח גרעיניות. עם זאת, לעתים קרובות חסרון זה ממוזער על ידי התקנת שתיים או אפילו שלוש מערכות, תוך שימוש יותר בכוח. התוצאה של זה עשויה להיות בעיה נוספת - עבור התקנתם, יידרש שטח גדול יותר, אשר לא ניתן להקצות בכל פרויקטי הבית.

לאספקה ​​רציפה של מספר מכשירי החשמל הביתיים ומערכת החימום המוכרת לבית מודרני, נדרש כוח רב. לכן, הפרויקט צריך לספק מקורות כאלה שיכולים לייצר כוח כזה. וזה דורש השקעה סולידית - ככל שהציוד חזק יותר, כך הוא יקר יותר.

בנוסף, במקרים מסוימים (לדוגמה, בעת שימוש באנרגיית רוח), ייתכן שהמקור לא מבטיח את קביעות הפקת האנרגיה. לכן, יש צורך לצייד את כל התקשורת עם התקני אחסון. לרוב מותקנים לשם כך סוללות וקולטים, דבר הכרוך באותן עלויות נוספות וצורך בהקצאת מ"ר נוספים בבית.

אנרגיה מהרוח

אבותינו למדו מזמן להשתמש באנרגיית הרוח לצרכיהם. באופן עקרוני, מאז העיצוב לא השתנה הרבה.רק אבן הריחיים הוחלפה בכונן גנרטור הממיר את האנרגיה של הלהבים המסתובבים לחשמל.

כדי ליצור גנרטור, תזדקק לחלקים הבאים:

• גֵנֵרָטוֹר. חלקם משתמשים במנוע ממכונת הכביסה, ומשנים מעט את הרוטור;
• מַכפִּיל;
• סוללה ובקר הטעינה שלה;
• שנאי מתח.

מחולל רוח

ישנן תוכניות רבות עבור טורבינות רוח תוצרת בית. כולם הושלמו על אותו עיקרון.

1. המסגרת נמצאת בהרכבה.
2. המסתובב מותקן. מאחוריו מותקנים להבים וגנרטור.
3. הרכב את חפירה צדדית עם מצמד קפיץ.
4. הגנרטור עם מדחף מחובר למסגרת, ואז הוא מותקן על המסגרת.
5. חבר וחבר למכלול המסתובב.
6. התקן את האספן הנוכחי. חבר אותו לגנרטור. החוטים מובילים לסוללה.

עֵצָה. מספר הלהבים יהיה תלוי בקוטר המדחף, כמו גם בכמות החשמל שנוצר.

הסוגים העיקריים של מקורות אנרגיה חלופיים

לאחרונה נוסו למעשה אפשרויות לא מסורתיות רבות להשגת אנרגיה. הסטטיסטיקה אומרת שאנחנו עדיין מדברים על אלפיות האחוז מהשימוש הפוטנציאלי.

קשיים אופייניים שפיתוח מקורות אנרגיה חלופיים מתמודד איתם בדרכו הם פערים מוחלטים בחוקי רוב המדינות לגבי ניצול משאבי טבע כרכוש המדינה. בעיית המיסוי הבלתי נמנע של אנרגיה חלופית קשורה קשר הדוק להיעדר עיבוד משפטי.

שקול את 10 מקורות האנרגיה האלטרנטיביים הנפוצים ביותר.

רוּחַ

אנרגיית הרוח תמיד שימשה את האדם. רמת הפיתוח של טכנולוגיות מודרניות מאפשרת לנו לעשות את זה כמעט ללא הפרעה.

במקביל, חשמל מופק באמצעות טחנות רוח, בדומה לטחנות, מכשירים מיוחדים. המדחף של טחנת רוח מתקשר את האנרגיה הקינטית של הרוח לגנרטור המייצר זרם באמצעות להבים מסתובבים.

חוות רוח כאלה נפוצות במיוחד בסין, הודו, ארה"ב ומדינות מערב אירופה. המובילה ללא ספק בתחום זה היא דנמרק, שהיא, אגב, חלוצת אנרגיית הרוח: המתקנים הראשונים הופיעו כאן בסוף המאה ה-19. דנמרק סוגרת בדרך זו עד 25% מסך הביקוש לחשמל.

בסוף המאה ה-20 הצליחה סין לספק חשמל לאזורים הרריים ומדבריים רק בעזרת טורבינות רוח.

השימוש באנרגיית רוח הוא אולי הדרך המתקדמת ביותר להפקת אנרגיה. זוהי גרסה אידיאלית של סינתזה, שבה משולבים אנרגיה חלופית ואקולוגיה. מדינות מפותחות רבות בעולם מגדילות ללא הרף את חלק החשמל המופק בדרך זו במאזן האנרגיה הכולל שלהן.

שמש

ניסיונות להשתמש בקרינת השמש להפקת אנרגיה נעשו גם הם כבר תקופה ארוכה, כרגע זו אחת הדרכים המבטיחות ביותר לפיתוח אנרגיה חלופית. עצם העובדה שהשמש בקווי רוחב רבים של כדור הארץ זורחת כל השנה, ומעבירה לכדור הארץ פי עשרות אלפי יותר אנרגיה ממה שצורכת כל האנושות בשנה, מעוררת השראה לשימוש פעיל בתחנות סולאריות.

רוב התחנות הגדולות ממוקמות בארצות הברית, בסך הכל, אנרגיה סולארית מופצת בכמעט מאה מדינות. כבסיס לוקחים תאי פוטו (ממירים של קרינת שמש), המשולבים לפאנלים סולאריים בקנה מידה גדול.

חום כדור הארץ

החום של מעמקי כדור הארץ מומר לאנרגיה ומשמש לצרכי האדם במדינות רבות בעולם. אנרגיה תרמית יעילה מאוד באזורים של פעילות וולקנית, מקומות שבהם יש גייזרים רבים.

המובילות בתחום זה הן איסלנד (בירת המדינה, רייקיאוויק, מסופקת במלואה באנרגיה גיאותרמית), הפיליפינים (החלק במאזן הכולל הוא 20%), מקסיקו (4%) וארה"ב (1%).

המגבלה על השימוש במקור מסוג זה נובעת מחוסר האפשרות להעביר אנרגיה גיאותרמית למרחקים (מקור אנרגיה מקומי טיפוסי).

ברוסיה, יש עדיין תחנה אחת כזו (קיבולת - 11 MW) בקמצ'טקה. תחנה חדשה נמצאת בבנייה באותו מקום (הספק - 200 MW).

עשרת מקורות האנרגיה המבטיחים ביותר בעתיד הקרוב כוללים:

• תחנות סולאריות המבוססות בחלל (החיסרון העיקרי של הפרויקט הוא העלויות הכספיות העצומות);
• כוח שרירי של אדם (ביקוש, קודם כל - מיקרואלקטרוניקה);
• פוטנציאל האנרגיה של הגאות והשפל (החיסרון הוא עלות הבנייה הגבוהה, תנודות כוח ענקיות ביום);
• מיכלי דלק (מימן) (הצורך בבניית תחנות דלק חדשות, העלות הגבוהה של מכוניות שיתדלקו אותן);
• כורים גרעיניים מהירים (מוטות דלק טבולים ב-Na נוזלי) - הטכנולוגיה מבטיחה ביותר (אפשרות לשימוש חוזר בפסולת מבוזבזת);
• דלק ביולוגי - כבר בשימוש נרחב על ידי מדינות מתפתחות (הודו, סין), יתרונות - התחדשות, ידידותיות לסביבה, חיסרון - שימוש במשאבים, קרקע המיועדת לייצור יבולים, הליכה של בעלי חיים (עלייה במחיר, מחסור במזון);
• חשמל אטמוספרי (הצטברות של פוטנציאל האנרגיה של ברק), החיסרון העיקרי הוא הניידות של חזיתות אטמוספריות, מהירות הפרשות (מורכבות ההצטברות).

שימוש באנרגיית רוח ושמש

טורבינות רוח במערכות חימום

אנרגיית רוח קינטית משמשת בדרך כלל להנעת מבנים, אך מודלים רבי עוצמה בתנאים קרובים לאידיאליים יכולים לספק לפחות חימום חלקי.

אם לא לוקחים בחשבון את העלויות הראשוניות, אז עבור הצרכן החשמל המתקבל אינו עולה כלום.

חשוב מאוד שלא יהיה צורך במשאבי עזר לתפעול מחולל הרוח, הם פועלים באופן אוטונומי כל הזמן. מתקנים אלה כמקורות אנרגיה עזר משולבים בהצלחה במערכות שבהן סוגים אחרים של התקני חימום הם העיקריים. יחידות אלה, כמקורות אנרגיה נלווים, משולבות בהצלחה במערכות שבהן סוגים אחרים של התקני חימום הם העיקריים.

מתקנים אלה כמקורות אנרגיה עזר משולבים בהצלחה במערכות שבהן סוגים אחרים של התקני חימום הם העיקריים.

ישנם סוגים רבים של עיצובי טחנות רוח, אך הם בדרך כלל מחולקים לשתי קטגוריות רחבות:

1. טורבינות רוח אופקיות עם להבים מסוג מדחף. יחידות אלו פרודוקטיביות יותר (שיעור ניצול אנרגיית רוח עד 52%), לכן הן מתאימות יותר לצרכי חימום, אך יש להן מספר מגבלות תפעוליות וצרכניות.
2. מחוללי רוח עם ציר סיבוב אנכי. טורבינות אלה בעלות כוח חלש יחסית (KIEV פחות מ-40%), אך הן אינן דורשות התמצאות לרוח, הן יכולות להשתמש לא רק בזרימות למינריות, אלא גם בזרימות סוערות, הן מתחילות לייצר זרם אפילו במהירויות נמוכות.קל יותר לתחזק אותם מכיוון שהגנרטור נמצא ליד הקרקע ולא על תורן בגונדולה.

להלן כמה חסרונות של שימוש בטחנות רוח לחימום:

• עלויות הון גבוהות. יותר מ-70 אחוז מהכספים מושקעים על אלמנטים עזר: סוללות, מהפך, אוטומציה של בקרה, מבני התקנה. השקעות משתלמות רק לאחר כמה עשורים.
• יעילות נמוכה - הספק נמוך. בנוסף, חלק מהאנרגיה הולך לאיבוד בתהליך המרת החשמל לחום.
• השטח דורש רוחות קבועות במהירות גבוהה. האנרגיה אינה יציבה, תלויה מאוד במזג האוויר ובעונה, דורשת ניטור והצטברות קבועים.
• הציוד תופס הרבה מקום.
• טורבינות רוח יוצרות רעש רב במהלך הפעולה.

מערכות סולאריות מבצעות חימום ישיר של נוזל הקירור או ממירות אנרגיה בשיטה פוטו-וולטאית. באופציה הראשונה, קרני השמש מחממות מים / אנטיפריז (בדגמים מסוימים - אוויר), המועברים למקום ומפיצים חום דרך רדיאטורים. במקרה השני, פוטונים של אור הופכים לאנרגיה חשמלית המזינה התקני חימום קונבנציונליים המופעלים על ידי חשמל (דודים, תנורי חימום, רצפות מחוממות).

בהתאם לכך, ישנם שני סוגים של מכשירים:

• קולטי שמש. המערכת מורכבת ממעגל למחזור נוזל הקירור, מיכל צבירה והקולט עצמו. בהתאם לעיצוב, אספנים נבדלים: שטוח, ואקום ואוויר (אוויר משמש כנוזל קירור).
• פנלים סולאריים. ההתקנה מורכבת מפאנלים עם תאי פוטו, בקרים ומהפך.הסוללה מייצרת זרם ישר של 24 או 12 וולט, הנאסף בסוללות ולאחר המרתו על ידי מהפך לזרם חילופין (220 V) מסופק לשקעים.

ישנם מספר חסרונות של מתקנים סולאריים. קודם כל, התלות בגורמים מטאורולוגיים ובמחזוריות (עונתי ויומי). לסוללות יש יעילות נמוכה כדי לספק כמות גדולה של אנרגיה יציבה, הן חייבות לתפוס שטח גדול ולהיות מצוידות בסוללות נטענות יקרות, אשר לעתים קרובות יש להחליף. החיסרון של אספנים הוא התלות שלהם בחשמל (להפעלת משאבה או מאוורר), או, למשל, סכנת הקפאת נוזל הקירור.

אנרגיה חלופית בקנה מידה עולמי

הסטטיסטיקה על השימוש ב-AES בעולם, כך נראה, נותנת סיבה לאופטימיות. באיחוד האירופי, כמות החשמל ממקורות מתחדשים ב-2017 עלתה על זו שהתקבלה ממפעלי פחם. בשנת 2018 עלה חלקם ביחס למשאבים "מלוכלכים" אחרים מ-30% ל-32.3%.

בשנת 2018, לראשונה מזה 40 שנות פעילות של תחנות כוח סולאריות ורוח, הקיבולת העולמית שלהן הגיעה ל-1 טרה-וואט (1000 GW), על פי דו"ח ביולי. 90% מהיכולות הופיעו רק ב-10 השנים האחרונות.

יש שלוש בעיות עיקריות עם AIE:

1. הם מקדמים את השימוש שלהם בפוליטיקה, והצרכן הסופי משלם מכיסו על אנרגיה "ירוקה". מסים עקיפים על הכנסת מקורות אנרגיה מתחדשים מהווים חלק נכבד מהתעריף. המבקרים אמרו שוב ושוב כי סובסידיות תעריפים גבוהות מדי והעלויות יגרמו במוקדם או במאוחר לתגובה שלילית מצד הצרכנים.

1. משאבים כאלה יכולים להיקרא בטוחים רק על רקע מקורות מסורתיים לייצור חשמל. התברר שטורבינות רוח מסוגלות להדביר חרקים.הייצור של כמעט כל המתקנים מסוג זה מזיק לסביבה. פאנלים סולאריים "מלוכלכים" במיוחד בשל פליטות מייצור סיליקון סולארי.

1. למרות העובדה שחלקם של מקורות האנרגיה המתחדשים ב"עוגת" האנרגיה העולמית הולך וגדל, הם עדיין לא יכולים להתחרות במקורות המסורתיים. זה לא משתלם להשתמש בהם, הציוד דורש הוצאות הוניות גדולות עם תשואה קטנה מאין כמותה, ולכן, עם הפחתה בתמיכת המדינה, הביקוש ל-RES יורד מיד. אפילו הפרסום הגרמני הסמכותי Die Welt הודה ש"עסקי טחנות הרוח נמצאים בנוקאאוט עמוק".

מסקנות וסרטון שימושי בנושא

סרטון על שילוב מקורות חלופיים לייצור חשמל בבית כפרי קטן:

סרטון על הכנת מחולל רוח במו ידיך יעזור לך להבין בקלות את העקרונות של המכשיר:

סרטון קצר על שימוש במשאבת חום:

סרטון וידאו על השגת ביוגז:

זה בהחלט אפשרי לסרב למקורות חימום מסורתיים. לשם כך, עליך לבחור בקפידה חלופה או לשלב כמה, בהתבסס על מאפייני האזור, השטח של הבית הכפרי שלך והאזור המקומי.

אנרגיית השמש, כדור הארץ, עוצמת הרוח, סילוק פסולת ביתית ממקור צמחי ובעלי חיים מסוגלים בהחלט להפוך לתחליף ראוי לגז, פחם, עצי הסקה וחשמל בתשלום.

האם אתה משתמש באחד ממקורות האנרגיה החלופיים לשימוש ביתי? שתפו כמה עלה לכם להרכיב את היחידה וכמה מהר זה השתלם.

או אולי אחד מחבריך צייד את הבית הכפרי שלו במקורות מתחדשים? משתמשים במערכת פאנלים סולאריים או במשאבת חום כמקור עצמאי לחום, מים חמים וחשמל?