Алтернативата: вятър, слънце и вода вместо петрол

Възобновяемите енергийни източници (ВЕИ) са ефективни, евтини и на практика неизчерпаеми

Енергетиката без съмнение все повече ще разчита на възобновяемите енергийни източници (ВЕИ). Алтернативните източници на енергия са практически неизчерпаеми. Те произхождат от слънцето, вятъра, топлината на земните ядра, водопадите, приливите и отливите на моретата или от растителната маса. Експлоатацията им е с много малко отделяне на отпадъци или замърсителни емисии във въздуха. Неслучайно в рамките на Европейския съюз се създаде нова енергийна стратегия с множество програми за финансиране на проекти за ВЕИ. Вятърните и соларните системи намират все по-голямо приложение за цялостно захранване на жилища, вили, ферми, отдалечени места, острови, яхти, телекомуникационни станции и други, с което се осигурява енергийна независимост. Акумулаторни батерии осигуряват необходимия запас при дълго безветрие/облачно време. Тези системи могат да произвеждат електричество, което да се свърже към електропреносната мрежа на страната. Според някои дългосрочни прогнози има голяма вероятност до 2050 г. възобновяемата енергия да покрива половината от енергийните нужди на света.
Нашата страна притежава много добър ветропотенциал и продължително слънцегреене. И държавата явно отчита този факт, защото още от 1 януари 2007 г.  са в сила новите преференциални тарифи за изкупуване на генерирана енергия.  До 9 евроцента (11 с ДДС) за произведен киловатчас от вятърни електроцентрали достига генерираното електричество от вятърните централи, а от фотоволтаици преференциалната цена е 40 евроцента на киловатчас. Очакванията са инвестициите в такива обекти да се възвръщат бързо и сравнително равномерно през сезоните, и то без никакви квотни или други ограничения.

Слънцето е най-големият и неизчерпаем енергиен източник на планетата. До земята достига слънчева енергия с мощност около 1000 вата на всеки квадратен метър. Това е колосално количество, което след преобразуване е в състояние да задоволи напълно световните нужди от електричество и топлина. Фотоволтаичната система директно преобразува слънчевата енергия в електрическа посредством високомощни соларни клетки, свързани в панели с висока ефективност – КПД 17%.
Според технологията има статични и следящи системи. При статичните модулите са стационарни и се монтират под определен оптимален ъгъл, като е възможно и сезонно регулиране на ъгъла. Те се монтират на земя, интегрират се стилно в сградната фасада или в равен или наклонен покрив. Така фасадата и соларният покрив получават и допълнителна функция за активен добив на енергия. Стационарните соларни системи имат най-ниска себестойност на инвестицията, ниски разходи за експлоатация и поддръжка.

По-ефективни са следящите сиситеми, които се позиционират спрямо движението на  слънцето. Производителността се повишава от 30% до 45% в зависимост от типа . Следящите системи са по-скъпи, но имат по-кратък срок на възвръщаемост на инвестициите поради високата си производителност.
Фотоволтаичните съоръжения се управляват автоматично и дистанционно и повечето от тях са с гаранция от 25 и повече години.

Главен проблем на фотоволтаиците е, че генерират електрически ток, осветявани само от видимите слънчеви лъчи. А невидимите слънчеви инфрачервени лъчи, които доминират в слънчевия спектър, ги загряват и значително намаляват производителността им. Този недостатък е избягнат при когенератора, при който чрез прилагане на енергийния win-win ефект безплатното слънчево греене се преобразува в ток и топлина по много ефективен начин с коефициент на полезно действие, достигащ 90%.

България е особено подходяща територия за печеливша експлоатация на слънчевата светлина. Намира се в метеорологична област с висока интензивност на слънчевото греене. По-голяма част от страната е със средна интензивност от 1500-2300 W/ m2.
Вятърната енергия се съдържа в мощността на ветровете. Тя може да бъде превърната в механична енергия за извършване на работа: като изпомпване на вода, смилане на зърно и обработване на дървен материал. Чрез свързване на въртящ се ротор с електрически генератор съвременните вятърни турбини превръщат кинетичната енергия на вятъра в електрическа – получаваме безплатна електрическа енергия ~220V или ~380V.

Вятърните електроцентрали бързо заемат челно място в групата на възобновяемите енергийни източници. В България съществуват няколко географски зони, които са подходящи за изграждането главно на средни по размер вятърни турбини. Проучването и проектирането на подобни съоръжения следва да се прави много внимателно и задълбочено поради спецификата на вятърната енергия. Основната разлика във ветровите турбини от края на миналия век и сега е в мощността им. На мястото на 150-500-киловатовите турбини вече са мегаватови с двойно и тройно по-големи ротори и носещи стълбове над 60 м. Мегаватовите турбини (до 3 MW) вече се предлагат като стандартна  продукция от всички водещи световни фирми.
Сега  се изграждат не само еднороторни или двуроторни ветрогенератори, а големи групи турбини, свързани в система, наричани ветропаркове.  Понастоящем с прилаганата техника е възможно производство на електрическа енергия при скорост на вятъра над 15 и до 90 км/ч. Енергодобивът им става оптимален при скорост на вятъра от 50 км/ч.

През 2020 г. морският бряг и регионите с неравен хълмист терен, които се експлоатират най-лесно и са най-продуктивните зони, биха могли да доставят 10% от европейската електрическа енергия.
Най-важният параметър на вятъра е неговата енергия. Тя има кубични параметри. Един пример: ако скоростта на вятъра се удвои, енергията нараства осем пъти (2 х 2 х 2 = 8). Това означава, че в леките бризове има относително малко енергия, докато при силните ветрове тя е огромна.  
Вятърът е чудесен източник на енергия, защото е чист и неизчерпаем. Но тъй като скоростта му варира според времето, деня и сезона и дори от една година до следващата, вятърната енергия е един прекъсващ източник.
С увеличение на потребителското търсене и опасността от глобално затопляне се вярва, че използването на вятърна енергия ще се нарасне.
За места с ветрови потенциал от 4 м/сек. и повече може да се използва вятърна електрическа помпена система, осигуряваща по-икономичен добив на питейна вода или на такава за напояване в сравнение с помпа с дизелов двигател. Допълнително и много съществено предиство пред механичните системи е възможността малките вятърни турбини да бъдат монтирани на високо място за използване максималната скорост на вятъра, а сондажът с монтираната в него помпа да бъде в най-ниското място – максимално близко до водоносния слой.
Хибридните ветро-фотоволтаични инсталации съчетават предимствата на вятърните генератори и фотоволтаиците. През лятото, когато вятърът е по-слаб, доминиращият източник е фотоволтаикът, а през зимата, когато слънчевата светлина е по-ограничена, водещият източник е вятърната турбина. Поради различния интензитет на вятърната и слънчевата енергя в денонощието и през годината хибридните системи са по-подходящи за производството на необходимата  електроенергия.

Земята също е източник на енергия. Температурата на нашата планета по научни изследвания се увеличава с един градус по Целзий на всеки 33 м дълбочина. Непосредствено под континенталната кора тя вече достига до 600-7000 С.
Геотермалната енергия се съдържа в нагретите до висока температура подземни слоеве. Тази топлина води началото си от ядрото на земята или се поражда в земната кора с разлагането на радиоактивни елементи, които се намират във всички скали. Там, където топлината е концентрирана до повърхността, може да бъде използвана като източник на енергия. В някои области водата се просмуква през пукнатините и пролуките в земната кора и в контакт с тези нагорещени скали повишава температурата си. Част от тези нагорещени води циркулират обратно към повърхността и възникват горещи извори или гейзери. Излязлата на повърхността топла вода може да остане под земята в области с пропусклива гореща скала, образуваща геотермални резервоари.

По-висока ефективност се постига с геотермални термопомпи (земно- или водосвързани), които пренасят топлината между вашата къща и земята навън или близо намиращо се езеро/река. Въпреки че тяхната инсталация е по-скъпа, геотермалните помпи имат ниски операционни разходи, защото използват относително постоянните температури на земята или водата. С термопомпата се извличат до 4/5 енергия безплатно.
Геотермалните резервоари, достигащи температура повече от 350 градуса Целзий, могат да се превърнат в мощен източник на енергия. Тези резервоари на около 5 километра от земната кора могат да бъдат достигнати със сондажи. Водата от извора може да бъде използвана за завъртване на турбина, произвеждаща електричество.
В модерните системи за директна употреба водата първо се извлича през специален кладенец. След това посредством система от тръби, резервоари и контролни устройства се доставя, където е необходима. Накрая специална система я отвежда обратно под земята. Геотермалната гореща вода може да се използва за отопление на сгради и рибни развъдници, за напояване на оранжерии, както и за пастьоризиране на мляко.
Геотермалната енергия е възстановяващ се ресурс. Топлината на земята продължава да се излъчва и всяка година валежите захранват нови водни геотермални източници. Сравнено с други видове източници на енергия геотермалните източници имат щадящ ефект върху околната среда.
Геотермалната енергия е реалистична възможност за икономиката ни – в България са документирани над 700 подходящи извора, както и цели области с голям потенциал. Като напълно чист и на практика безплатен възобновяем източник геотермалната енергия е най-добрата възможност за отопление и битово горещо водоснабдяване на редица населени места, туристически центрове и предприятия. С подходящо проектиране и финансиране геотермалните инсталации предоставят същинска независимост.

Водата като алтернативен източник на енергия
Водата е неизчерпаем източник на енергия. Хидрокинетичните енергийни инсталации и централи се монтират непосредствено в морета, реки и канали, включително и на закотвени в тях понтони. Енергийната ефективност на хидрокинетичната енергия е висока. Хоризонтален воден поток със сечение 1 м2 при скорост 2 m/s носи брутна мощност 4 kW. Затова инвестициите и разходите за производството на полезна енергия са сравнително малки при същевременно нулево екологично замърсяване по време монтажа и експлоатацията на хидрокинетични ВЕЦ. Екологичният риск от повреди на хидрокинетичните съоръжения при аварии, тероризъм и природни бедствия е практически нулев.

ВЕЦ-овете са традиционно добре развит възобновяем източник на енергия в България. Хидротурбините превръщат кинетичната енергия на водния поток в електрическа.  
Със своите малки размери и тегло, оптимизирана конструкция и лесен инсталационен процес те са много подходящи за обекти, намиращи се в близост до реки и други водоизточници.
Всяко морско (океанско) течение носи кинетична енергия на движещата се вода. Първичен източник на тази енергия е слънцето. Поради неравномерното затопляне на огромни въздушни маси над водата и сушата те се движат хоризонтално и вертикално (вятър) и образуват морските вълни. Вълновото движение на водата носи огромна енергия. В каква степен и доколко тя може да се превърне в полезна е въпрос на технология и икономика. През последните 30-40 години бе направен голям напредък в производството на електричество за сметка на морските вълни, на енергията на приливите и отливите. В момента работят няколко морски електроцентрали с мощност от неколкостотин киловата.

Водата е горивото на бъдещето. Получен от вода по метода на електролизата, от всички горива водородът е най-качественото гориво. Топлината при изгаряне на единица маса е 2.5 пъти по- голяма от тази на природния газ и 8.3 пъти по-голяма от тази на дървесината. В същото време при тази реакция не се замърсява околната среда, тъй като отпадък при нея е вода, което прави процеса неизчерпаем.

Биомасата включва продукти от растителен и животински произход, битови и някои производствени отпадъци, както и растителни култури, отглеждани специално за тази цел. Тя е потенциално най-значимият възобновяем източник на енергия според оценките на ЕС. През последните десет години технологиите за добив на енергия от биомаса позволяват високоефективното изгаряне на самата биомаса, както и на биогазовете, които тя отделя. Инсталациите, използващи биомаса, са изключително полезни за производство, където се отделят биологични остатъци и отпадъци, както и в земеделието.
Биопревръщане е използването на растенията за преобразуване на слънчевата енергия в химическа под формата на химически съединения, които могат да бъдат използвани за получаване на горива. Има два основни подхода.
Единият е да се използва растителна биомаса като нов материал в процеси, които вече са разработени – пиролиза и газификация на въглеводороди; СО, Н2 и СН4, водещи до образуване на метанол и бензин.
Другият е да се свърже производството на биомаса с биологичното превръщане:
чрез ферментация до етилов алкохол или метан и директно получаване на Н2 чрез анаеробна фотосинтеза.
Енергията е двигател на цивилизацията. От нея зависи и собственото й оцеляване. Оцеляването на човечеството зависи единствено и само от него!

текст Ваня Павлова