Как добыть электричество из тепла без турбин: секрет термопары
Любой источник тепла можно превратить в источник электроэнергии – без паровых котлов, турбин и прочих громоздких сооружений.
Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который крутит турбину, присоединенную к генератору. Таким образом, главным методом получения электричества является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями. «На производство 1 ватта полезной энергии в среднем тратится около 5 ватт тепла, из которых 4 уходят на разогрев окружающей среды. Если бы нам удалось хотя бы незначительно уменьшить эти потери, это означало бы огромную экономию топлива и существенное снижение выбросов углекислого газа», — поясняет Арунава Майумдар из Калифорнийского университета в Беркли.
Между тем метод прямого преобразования тепла в электроэнергию известен аж с первой половины XIX века, когда Томас Зеебек установил, что избирательное нагревание (или охлаждение) точки контакта двух проводников, имеющих различные химические свойства, сопровождается появлением электродвижущей силы (термо-ЭДС).
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности. Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во-первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%.
Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.
«Эти цифры могут показаться не слишком значительным, однако они вполне доказывают правильность нашей концепции. Органическое термоэлектричество сделало свой первый шаг,» — заявил Прамод Редди (Pramod Reddy), один из участников исследования. В ближайшее время ученые намереваются протестировать ряд других органических соединений и металлов, чтобы добиться более выраженного эффекта термо-ЭДС.
Читайте также: «Электричество из водорослей», «Шумная энергия».
Как получить бесплатное электричество в домашних условиях – K-News
Когда речь заходит об альтернативных источниках, то первое, о чем вспоминают — это, конечно, солнечные панели и ветрогенераторы. Но есть более интересные источники, из которых вы сможете в домашних условиях извлечь электроэнергию. Об этом рассказывает hi-tech.mail.ru.
Как получить электричество от батареи отопленияДля того чтобы получить бесплатное электричество от радиаторов отопления, нам понадобится дополнительное оборудование в виде термоэлектрического элемента Пельтье.
Элемент Пельтье представляет собой две керамические пластины, между которыми заключено большое количество полупроводников в виде термопар.
Принцип действия основан на возникновении разности температур при протекании электрического тока. Обычно такие устройства используют для создания мобильных холодильных установок, но можно добиться и обратного эффекта. Достаточно изменить полярность подключения элемента, и эффект охлаждения сменится на нагревание.
Элемент Пельтье. Фото: aliexpress.ru
Если с одной стороны подвести тепло к этому элементу, а с другой, наоборот, охлаждать его, то благодаря созданию разности температур на его поверхностях, можно снимать с него электроэнергию, которой вполне хватит, например для работы светодиодной лампы.
Чтобы закрепить конструкцию на трубе отопления, можно воспользоваться алюминиевым уголком. А для повышения плотности контакта образовавшиеся зазоры можно уплотнить алюминиевой фольгой.
1- Труба отопления 2- Алюминиевый уголок 3- Радиатор от старого ПК 4- Элемент Пельтье (40*40 мм) 5- Повышающий преобразователь 6- Алюминиевая фольга (Фото: Youtube / Игорь Белецкий)
Также потребуется преобразователь напряжения, который повышает создаваемое элементом Пельтье напряжение 0,5 В до 3–5 В, необходимых для работы светодиодной лампы.
Повышающий преобразователь напряжения. Фото: aliexpress.ru
С одной стороны мы нагреваем элемент Пельтье теплом от радиатора отопления, а с другой стороны охлаждаем его окружающим воздухом. Чтобы увеличить площадь поверхности охлаждения, можно использовать обычный радиатор охлаждения от старого компьютера. Чем больше будет его площадь, тем лучше.
Такое устройство может пригодиться в качестве бесплатного дежурного освещения, например, в подъезде. Конечно, этот метод получения электричества можно назвать лишь условно бесплатным, ведь за отопление вы так или иначе платите деньги, но почему бы не использовать кэшбек в виде бесплатной электроэнергии?
Электроэнергия из водопроводаВторой не менее интересный способ — врезка минигенератора в водопровод. Получение электричества от энергии движения потока воды само по себе не ново. Гидроэлектростанции, использующие подобный принцип, работают по всему миру. А плотины для их использования являются одними из самых сложных технических устройств.
Небольшие генераторы, которые можно установить непосредственно в домашний водопровод, можно приобрести в интернет-магазинах. Генератор, подключают к небольшому аккумулятору и используют накопленную таким образом электроэнергию для освещения.
Фото: aliexpress.ru
Некоторые умельцы делают такие генераторы своими руками, собирая их из старого водяного счетчика и помпы от стиральной машины. Подключают такие генераторы даже к бачкам унитаза. Расчеты показывают, что выработки электричества от одного смыва бачка унитаза хватит на 12 минут непрерывного свечения светодиодной лампы мощностью 5 ватт.
Фото: Youtube / Дмитрий Компанец
Электричество от самодельных элементов питанияЭлектроэнергию можно получить от импровизированных батареек, собранных буквально «на коленке». Как известно любая батарея использует в своей основе заряженные частицы образующиеся в процессе взаимодействия металлов, помещенных в токопроводящую жидкость.
Достаточно взять две пластины различных металлов, например, цинка и меди, и поместить их в стаканчик с водой, а затем замкнуть эту цепь, используя в качестве нагрузки светодиодную лампу.
Такая конструкция позволит вам получить порядка 0,8 В.
Причем это напряжение не будет зависеть от площади пластин.
Если подсоединить несколько таких пар пластин последовательно, то вы получите довольно емкую батарею, которой хватит на работу хорошего светодиодного фонаря.
Фото: classtube.ru
Электричество из землиВ 1896 году Натан Беверли Стаблфилд изготовил батарею, используя для этого энергию земли и получил патент на своё устройство.
Для него нужны два провода, один металлический без изоляции – чтобы он мог активизировать магнитное поле, которое создается и поддерживается в пределах и вокруг тела катушки. Второй – медный в обмотке, который наматывается на стальной сердечник.
Фото: Youtube / Lidmotor
После каждого витка укладывается слой изолирующего материала. Такую конструкцию помещают во влажную землю, провода выводят наружу и батарея улавливает естественные электрические токи, позволяя использовать электричество в своих целях.
Фото: Youtube / Lidmotor
Как видите, электрическая энергия окружает нас и находится буквально повсюду. Главное – это знать основные принципы и законы, по которым она извлекается и тогда извлечь ее не составит труда даже в домашних условиях с минимальными затратами.
Поделиться
Архив новостей
Архив новостей Выберите месяц Март 2023 Февраль 2023 Январь 2023 Декабрь 2022 Ноябрь 2022 Октябрь 2022 Сентябрь 2022 Август 2022 Июль 2022 Июнь 2022 Май 2022 Апрель 2022 Март 2022 Февраль 2022 Январь 2022 Декабрь 2021 Ноябрь 2021 Октябрь 2021 Сентябрь 2021 Август 2021 Июль 2021 Июнь 2021 Май 2021 Апрель 2021 Март 2021 Февраль 2021 Январь 2021 Декабрь 2020 Ноябрь 2020 Октябрь 2020 Сентябрь 2020 Август 2020 Июль 2020 Июнь 2020 Май 2020 Апрель 2020 Март 2020 Февраль 2020 Январь 2020 Декабрь 2019 Ноябрь 2019 Октябрь 2019 Сентябрь 2019 Август 2019 Июль 2019 Июнь 2019 Май 2019 Апрель 2019 Март 2019 Февраль 2019 Январь 2019 Декабрь 2018 Ноябрь 2018 Октябрь 2018 Сентябрь 2018 Август 2018 Июль 2018 Июнь 2018 Май 2018 Апрель 2018 Март 2018 Февраль 2018 Январь 2018 Декабрь 2017 Ноябрь 2017 Октябрь 2017 Сентябрь 2017 Август 2017 Июль 2017 Июнь 2017 Май 2017 Апрель 2017 Март 2017 Февраль 2017 Январь 2017 Декабрь 2016 Ноябрь 2016 Октябрь 2016 Сентябрь 2016 Август 2016 Июль 2016 Июнь 2016 Май 2016 Апрель 2016 Март 2016 Февраль 2016 Январь 2016 Декабрь 2015 Ноябрь 2015 Октябрь 2015 Сентябрь 2015 Август 2015 Июль 2015 Июнь 2015 Май 2015 Апрель 2015 Март 2015 Февраль 2015 Январь 2015 Декабрь 2014 Ноябрь 2014 Октябрь 2014 Сентябрь 2014 Август 2014 Июль 2014 Июнь 2014 Май 2014 Апрель 2014 Март 2014 Февраль 2014 Январь 2014 Декабрь 2013 Ноябрь 2013 Октябрь 2013 Сентябрь 2013 Август 2013 Июль 2013 Июнь 2013 Май 2013 Апрель 2013 Март 2013 Февраль 2013 Январь 2013 Декабрь 2012 Ноябрь 2012 Октябрь 2012 Сентябрь 2012 Август 2012 Июль 2012 Июнь 2012 Май 2012 Апрель 2012 Март 2012 Февраль 2012 Январь 2012 Декабрь 2011 Ноябрь 2011 Октябрь 2011 Сентябрь 2011 Август 2011 Июль 2011 Июнь 2011Откуда у нас электричество?
Электричество необходимо для современной жизни, однако почти миллиард человек не имеет к нему доступа.
Такие вызовы, как изменение климата, загрязнение и разрушение окружающей среды, требуют от нас изменения способов производства электроэнергии.
За последнее столетие основными источниками энергии, используемыми для выработки электроэнергии, были ископаемое топливо, гидроэлектроэнергия, а с 1950-х годов – ядерная энергия. Несмотря на значительный рост возобновляемых источников энергии за последние несколько десятилетий, ископаемое топливо остается доминирующим во всем мире. Их использование для производства электроэнергии продолжает расти как в абсолютном, так и в относительном выражении: в 2017 году на ископаемое топливо было выработано 64,5% мировой электроэнергии по сравнению с 61,9%.% в 1990 г.
Доступ к надежному электричеству жизненно важен для благополучия человека. В настоящее время каждый седьмой человек в мире не имеет доступа к электричеству. Таким образом, спрос на электроэнергию будет продолжать расти. В то же время выбросы парниковых газов должны резко сократиться, если мы хотим смягчить последствия изменения климата, и мы должны перейти на более чистые источники энергии, чтобы уменьшить загрязнение воздуха.
Это, вероятно, потребует значительного увеличения использования всех низкоуглеродных источников энергии, важной частью которых является ядерная энергия.
Для достижения устойчивого мира необходимо будет обезуглерожить все сектора экономики, включая транспорт, теплоснабжение и промышленность. Электричество обеспечивает средства для использования низкоуглеродных источников энергии, поэтому широкомасштабная электрификация рассматривается как ключевой инструмент обезуглероживания секторов, традиционно работающих на ископаемом топливе. По мере роста конечного использования электроэнергии и распространения ее преимуществ на всех людей спрос значительно возрастет.
Уголь, газ и нефть
Электростанции, работающие на ископаемом топливе, сжигают уголь или нефть для выработки тепла, которое, в свою очередь, используется для выработки пара для привода турбин, вырабатывающих электроэнергию. На газовых электростанциях горячие газы приводят в действие турбину для выработки электроэнергии, тогда как на газотурбинной установке с комбинированным циклом (ПГУ) также используется парогенератор для увеличения количества производимой электроэнергии.
В 2017 году ископаемое топливо произвело 64,5% электроэнергии во всем мире.
Эти электростанции надежно вырабатывают электроэнергию в течение длительного периода времени и, как правило, дешевы в строительстве. Однако при сжигании топлива на основе углерода выделяется большое количество углекислого газа, что приводит к изменению климата. Эти растения также производят другие загрязняющие вещества, такие как оксиды серы и азота, которые вызывают кислотные дожди.
Электростанция Cottam в Великобритании, которая использует как уголь, так и газ для производства электроэнергии (Изображение: EDF Energy)
Сжигание ископаемого топлива для получения энергии приводит к значительному числу смертей из-за загрязнения воздуха. Например, по оценкам, только в Китае 670 000 человек ежегодно умирают преждевременно из-за использования угля.
Для установок, работающих на ископаемом топливе, требуется очень большое количество угля, нефти или газа. Во многих случаях эти виды топлива необходимо транспортировать на большие расстояния, что может привести к потенциальным проблемам с поставками.
Цены на топливо исторически были неустойчивыми и могут резко расти в периоды дефицита или геополитической нестабильности, что может привести к нестабильной стоимости производства и более высоким потребительским ценам.
Гидроэнергетика
Плотина «Три ущелья» в Китае — крупнейшая в мире гидроэлектростанция и крупнейшая в мире электростанция (Изображение: Le Grand Portage, CC BY-SA 2.0)
В 2017 году на долю гидроэнергетики приходилось 16% мирового производства электроэнергии поколение.
Затопление водохранилищ за плотинами и замедление течения речной системы под плотиной также может оказать серьезное воздействие на окружающую среду и местное население. Например, при строительстве крупнейшей в мире ГЭС «Три ущелья» в Китае было перемещено около 1,3 млн человек.
По числу погибших от несчастных случаев гидроэнергетика является самым смертоносным источником энергии. Аварией с наибольшим числом погибших стало обрушение в 1975 году плотины Баньцяо в китайской провинции Хэнань, в результате которого, по официальным оценкам, погибло 171 000 человек.
Атомная энергетика
Атомные энергетические реакторы используют тепло, выделяемое при расщеплении атомов, для производства пара, приводящего в действие турбину. В процессе деления не образуются парниковые газы, и в течение всего ядерного жизненного цикла образуется лишь очень небольшое количество. Атомная энергетика является экологически чистой формой производства электроэнергии и не способствует загрязнению воздуха.
В 2018 году атомная энергетика произвела 10,5% мировой электроэнергии.
Атомная электростанция Paluel на севере Франции, одна из крупнейших атомных электростанций в мире (Изображение: Areva)
Атомные электростанции, как и электростанции, работающие на ископаемом топливе, очень надежны и могут работать в течение многих месяцев без перерыва, обеспечивая большие объемы чистой электроэнергии, независимо от времени суток, погоды или сезона. Большинство атомных электростанций могут работать не менее 60 лет, и это способствует тому, что атомная электроэнергия является наиболее доступной по сравнению с другими производителями электроэнергии.
Ядерное топливо можно использовать в реакторе в течение нескольких лет благодаря огромному количеству энергии, содержащейся в уране. Мощность одного килограмма урана примерно такая же, как у 1 тонны угля.
В результате образуется соответственно небольшое количество отходов. В среднем реактор, обеспечивающий потребность человека в электроэнергии в течение года, создает около 500 граммов отходов — это поместилось бы в банке из-под газировки.
Всего 5 граммов из этого количества используется ядерного топлива — эквивалент листа бумаги. Существует несколько стратегий обращения с отработанным топливом, таких как прямая утилизация или переработка в реакторах для производства электроэнергии с более низким уровнем выбросов углерода.
Ветровая и солнечная энергия
Возобновляемые источники энергии, такие как ветер, солнечная энергия и малые гидроэлектростанции, производят электроэнергию с низким уровнем выбросов парниковых газов на протяжении всего их жизненного цикла. В 2017 году ветер и солнечная энергия произвели 4,4% и 1,3% мировой электроэнергии соответственно. Они не производят электричество предсказуемо или постоянно из-за присущей им зависимости от погоды. Производство электроэнергии ветряными турбинами зависит от скорости ветра, и если ветер слишком слабый или слишком сильный, электричество вообще не производится. Мощность солнечных панелей зависит от силы солнечного света, которая зависит от ряда различных факторов, таких как время суток и количество облачного покрова (а также количество пыли на панелях).
Еще одна проблема заключается в том, что может не хватить места или общественного желания разместить огромное количество турбин или панелей, необходимых для производства достаточного количества электроэнергии. Это связано с тем, что энергия ветра или солнца является рассеянной, а это означает, что для производства значительного количества электроэнергии требуются очень значительные площади земли.
Поскольку электроэнергию нелегко хранить, возобновляемые источники энергии должны поддерживаться другими формами производства электроэнергии. Самые большие батареи не могут работать в течение нескольких дней, не говоря уже о неделях, которые потребовались бы для резервного копирования возобновляемых источников энергии, чтобы обеспечить круглосуточную подачу электроэнергии. Чтобы обеспечить стабильную поставку электроэнергии, газовые станции все чаще предоставляют услуги резервного копирования электроэнергии из возобновляемых источников. Установки, работающие на природном газе, выделяют большое количество углекислого газа во время работы, а значительное количество метана часто выделяется при добыче и транспортировке газа, что способствует изменению климата.
Биомасса
Работа биомассы очень похожа на газовые и угольные электростанции. Вместо сжигания газа или угля завод работает на различных формах биомассы (например, на специально выращенных деревьях, древесной щепе, бытовых отходах или «биогазе»). В 2017 году биомасса произвела 2,3% мировой электроэнергии.
Электростанция Drax в Великобритании частично заменила уголь импортируемой биомассой в качестве топлива для производства электроэнергии (Изображение: Эндрю Уэйл, CC BY-SA 2.0)
Производство биомассы может потребовать много энергии, как с точки зрения производства самой биомассы, так и с точки зрения транспортировки. Из-за этого требуемая энергия может быть больше, чем энергетическая ценность конечного топлива, а выбросы парниковых газов могут быть такими же высокими или даже больше, чем выбросы от эквивалентного ископаемого топлива. Кроме того, для поглощения выбрасываемого углекислого газа может потребоваться более 100 лет, что приводит к краткосрочному увеличению выбросов.
Другие воздействия на окружающую среду, связанные с землепользованием и экологической устойчивостью, могут быть значительными. Кроме того, как и в случае с углем, использование биомассы может способствовать загрязнению воздуха и, таким образом, иметь негативные последствия для здоровья населения, проживающего рядом с заводами по производству биомассы.
Что будет питать наше электрическое будущее?
Электричество приобретает все большее значение. Если мы хотим решить проблему изменения климата и уменьшить загрязнение воздуха, нам необходимо увеличить использование всех низкоуглеродных источников энергии, важной частью которых является ядерная энергия.
Чтобы удовлетворить растущий спрос на устойчивую энергетику, Всемирная ядерная ассоциация представила программу Harmony, в которой поставлена цель, чтобы ядерная энергетика обеспечивала не менее 25% электроэнергии до 2050 года. затем. Чтобы резко сократить объемы использования ископаемого топлива, атомная энергия и возобновляемые источники энергии должны работать вместе, чтобы обеспечить надежное, доступное и экологически чистое энергоснабжение в будущем.
Белая книга Silent Giant Всемирной ядерной ассоциации содержит дополнительную информацию о необходимости использования атомной энергии в экологически чистой энергетической системе.
Поделиться
Связанная информация
Технологии «Чистый уголь»
Возобновляемая энергия и электроэнергия
Мировые потребности в энергии и ядерная энергетика
9009 Вас также может заинтересовать
9009
Внешние эффекты производства электроэнергии
Атомная энергетика в современном мире
Канада: уран
Как работает энергосистема США?
Введение
Обширная сеть электростанций, линий электропередач и распределительных центров вместе составляют электрическую сеть США. Сеть постоянно уравновешивает спрос и предложение на энергию, которая питает все, от промышленности до бытовой техники. Вне поля зрения большинства, сеть обычно привлекает внимание общественности только из-за крупномасштабных сбоев, таких как отключение электроэнергии, которое произошло в Техасе в начале 2021 года.
Подробнее от наших экспертов
Цзунъюань Зои Лю
Зеленые ямы возобновляемых источников энергии против сельскохозяйственных угодий. Ядерная энергия может помочь
Хайди Кребо-Редикер
Союзники и противники наблюдают за приближением кризиса потолка долга
Элис С. Хилл
Что означают промежуточные выборы 2022 года для климатической политики США
Экстремальные погодные явления, вызванные изменением климата, и уязвимость к кибератакам вызвали опасения по поводу надежности энергосистемы. Выбросы при производстве электроэнергии являются существенной движущей силой изменения климата, и существует настоятельная необходимость в отказе от энергии, основанной на ископаемом топливе.
Но постановление Верховного суда от июня 2022 года ограничило способность Агентства по охране окружающей среды (EPA) регулировать выбросы электростанций, а это означает, что энергосистема может продолжать полагаться на ископаемое топливо.
Подробнее:
Энергетическая и климатическая политика
Инфраструктура
Соединенные Штаты
Информационная безопасность
Между тем рост возобновляемой энергии и так называемой распределенной генерации, или способность отдельных домов и предприятий производить собственную энергию, поставили традиционную сеть под все большее давление. Он теряет клиентов, в то время как его стареющая инфраструктура требует капитального и дорогостоящего ремонта. Принятый в конце 2021 года широкомасштабный закон об инфраструктуре предусматривает около 65 миллиардов долларов на улучшение сети, и администрация Джо Байдена начала работать со штатами над ускорением модернизации.
Как работает сетка?
Краткий обзор ежедневных новостей
Сводка мировых новостей с анализом CFR доставляется на ваш почтовый ящик каждое утро.
Большинство будних дней.Просмотреть все бюллетени >
Электрическая сеть США восходит к 1882 году, когда Томас Эдисон открыл первую в стране электростанцию на станции Перл-Стрит в Нижнем Манхэттене. В то время как сеть расширилась от первоначальных пятидесяти девяти клиентов Эдисона до сотен миллионов пользователей, на протяжении десятилетий ее базовая структура оставалась практически неизменной. По данным Управления энергетической информации США (EIA), электростанции, работающие на ископаемом топливе — сжигающие уголь, нефть или природный газ, — производят около 60 процентов электроэнергии страны, а на атомную энергетику приходится почти 20 процентов. Электроэнергия передается на большие расстояния с использованием высоковольтных линий электропередачи, а местные объекты, известные как подстанции, преобразуют эту высоковольтную мощность в более низкое напряжение (процесс, называемый «понижением») и распределяют ее по близлежащим домам и предприятиям.
В совокупности сетку называют крупнейшей машиной в мире, включающей одиннадцать тысяч электростанций, три тысячи коммунальных услуг и более двух миллионов миль линий электропередач. Однако на практике в США существует три отдельных энергосистемы или автономных взаимосвязей производства и передачи электроэнергии. Это восточные, западные и техасские соединения.
Подробнее от наших экспертов
Цзунъюань Зои Лю
Зеленые ямы возобновляемых источников энергии против сельскохозяйственных угодий. Ядерная энергия может помочь
Хайди Кребо-Редикер
Союзники и противники наблюдают за приближением кризиса потолка долга
Элис С. Хилл
Что означают промежуточные выборы 2022 года для климатической политики США
Из-за высоких затрат на строительство всей этой инфраструктуры передача и распределение электроэнергии считается «естественной монополией», что означает, что только компания, достаточно крупная, чтобы контролировать весь рынок, как правило, может позволить себе необходимые инвестиции.
В результате большинству энергетических компаний предоставляется монопольный контроль над местным рынком с полномочиями предоставлять недорогую и надежную энергию в качестве общественного блага. Чтобы обеспечить соблюдение этого мандата, коммунальные предприятия либо находятся в государственной собственности, либо, что чаще, жестко регулируются регулирующими комиссиями штатов, которые устанавливают цены, которые коммунальные предприятия могут взимать с потребителей.
Как экологизация электросетей влияет на климатические цели США?
Декарбонизация сети или производство энергии из возобновляемых источников вместо ископаемого топлива занимает центральное место в климатических целях президента Байдена, особенно в его обещаниях сократить вдвое выбросы в США по сравнению с уровнем 2005 года к 2030 году и добиться безуглеродного энергетического сектора к 2035 году. четверть выбросов парниковых газов в США приходится на сжигание ископаемого топлива для производства электроэнергии.
Энергетический сектор в основном использует уголь и природный газ для производства электроэнергии. Сжигание этого ископаемого топлива приводит к выбросу парниковых газов, которые удерживают тепло и согревают планету.
Подробнее:
Энергетическая и климатическая политика
Инфраструктура
Соединенные Штаты
Информационная безопасность
Для сокращения выбросов за счет электрификации, включая переход на электромобили, потребуется чистая и надежная энергосистема. Уже сейчас производство возобновляемой энергии быстро растет. По данным EIA, в 2021 году солнечная, ветровая и другие возобновляемые источники энергии произвели 20 процентов электроэнергии в США, и ожидается, что к 2050 году эта доля удвоится. Но, по мнению экспертов, для полного отказа от ископаемого топлива потребуется ряд мер политики. : это включает субсидирование исследований и разработок (НИОКР) для производства и хранения экологически чистой энергии; и установление цены на выбросы, например налога на выбросы углерода.
Как возобновляемые источники энергии влияют на сеть?
Расширение использования возобновляемых источников энергии создает проблемы для сетевых операторов. Например, изменчивость ветра и солнечного света затрудняет прогнозирование спроса и предложения электроэнергии. Увеличение числа домохозяйств, устанавливающих собственные источники энергии, также вызывает проблемы.
В отличие от первоначальной односторонней экономической модели сети, децентрализованные формы производства энергии, известные как «распределенная генерация», находятся на подъеме. Производство солнечной энергии, в том числе с помощью домашних установок, за последнее десятилетие выросло в геометрической прогрессии, достигнув 126,1 гигаватт (ГВт) общей мощности в 2022 году — достаточно энергии для питания более двадцати трех миллионов домов. Ожидается, что тенденция сохранится. Например, компания Tesla, производящая электромобили и экологически чистая энергия, продает аккумуляторные системы и солнечные панели в качестве альтернативы традиционной сети.
Коммунальные предприятия обеспокоены тем, что распределенная генерация угрожает их жизнеспособности, особенно из-за политики «чистого измерения». Согласно чистому измерению, впервые принятому Миннесотой в 1983 году, регулирующие органы требуют, чтобы коммунальные предприятия выкупали любую избыточную энергию у потребителей солнечной энергии по полной розничной цене за электроэнергию. Коммунальные предприятия утверждают, что, получая полную розничную цену за электроэнергию, эти пользователи фактически избегают платить за обслуживание сети, даже несмотря на то, что подавляющее большинство домов и предприятий, использующих распределенную генерацию, по-прежнему полагаются на сеть, используя ее в периоды, когда солнце не светит. или ветер не дует. По словам коммунальных служб, эти клиенты все равно должны внести свой вклад.
Коммунальные службы предупреждают, что по мере распространения использования солнечной энергии и потери клиентов им придется повышать цены, что, в свою очередь, подтолкнет больше людей к отключению от сети — процесс, известный в отрасли как «спираль смерти коммунальных служб».
Пока неясно, насколько изменились затраты; анализ, проведенный Институтом Роки-Маунтин, беспристрастной исследовательской организацией в области энергетики, подсчитал, что коммунальные предприятия на северо-востоке США могут потерять до 15 миллиардов долларов к 2030 году, поскольку потребители перейдут на солнечную энергию.
Растущая нагрузка на электросеть приходится на то время, когда, как отмечает эксперт по энергетике Брайан Уоршай, экономика США больше, чем когда-либо прежде, зависит от надежного и доступного электричества. Рост цен нанесет ущерб потребителям и предприятиям, а коммунальные предприятия, которые не смогут сделать необходимые инвестиции на миллиарды долларов, могут столкнуться с новыми отключениями электроэнергии, которые, по оценкам, обходятся в десятки миллиардов долларов ежегодно.
Чтобы компенсировать потерю доходов, некоторые коммунальные предприятия ввели новые сборы или ограничения для пользователей солнечной энергии. Еще один вариант — коммунальные предприятия сами займутся возобновляемой энергетикой.
Крупнейшая в США коммунальная компания Duke Energy из Северной Каролины начала интегрировать ветряную и солнечную энергию в свою сеть в 2007 году. Большая часть увеличения мощности солнечной энергии была обеспечена коммунальными службами, а не домовладельцами.
Как регулируется сеть?
Исторически сложилось так, что большинство коммунальных служб контролировали все, от электростанции до бытовой электросети. В 1978 году Конгресс принял закон о частичном дерегулировании сектора, что позволило выйти на рынок некоммерческим производителям электроэнергии. Закон об энергетической политике 1992 г. разрешил дальнейшее дерегулирование, особенно отделение производства электроэнергии (оптовые рынки) от передачи и распределения (розничные рынки). Явной целью этих усилий было продвижение конкуренции и снижение цен на энергоносители. Однако энергетический кризис в Калифорнии 2000–2001 гг. [PDF] поднял вопросы о такой реструктуризации после того, как государственные реформы привели к повышению цен, нехватке энергии и почти банкротству крупных коммунальных предприятий.
Сегодня надзор за сетью является обязанностью лоскутного одеяла федеральных властей и властей штатов. Закон об энергетической политике 2005 г. определил Федеральную комиссию по регулированию энергетики (FERC) Министерства энергетики в качестве основного органа, отвечающего за производство и передачу электроэнергии в Соединенных Штатах. Однако юрисдикция по розничному распределению электроэнергии на местном уровне, которая фактически доставляет эту энергию конечным пользователям, остается в руках правительств штатов и муниципалитетов.
Из-за растущей озабоченности по поводу изменения климата Агентство по охране окружающей среды предприняло попытку регулировать выбросы парниковых газов из сети. 1970 Закон о чистом воздухе дал агентству право ограничивать загрязнение воздуха. Под эгидой этого закона администрация Барака Обамы попыталась внедрить широкие стандарты выбросов электростанций в своем Плане чистой энергии 2015 года, что является частью более масштабных усилий по переходу энергетического сектора от угля и газа к возобновляемым источникам энергии.
Но план столкнулся с судебными претензиями и так и не вступил в силу. В июне 2022 года Верховный суд постановил, что Конгресс не предоставил Агентству по охране окружающей среды полномочия вводить общеотраслевые правила в отношении выбросов электростанций, хотя Агентство по охране окружающей среды может продолжать регулировать выбросы от отдельных предприятий.
Что такое интеллектуальная сеть?
«Умная сеть» относится к набору технологий, которые обеспечивают большую оперативность при подключении производителей и потребителей электроэнергии. По данным Министерства энергетики США, которое сделало создание интеллектуальной сети целью национальной политики, она включает в себя «цифровые технологии, обеспечивающие двустороннюю связь между коммунальным предприятием и его клиентами», а также обнаружение линий электропередачи.
Система интеллектуальной сети может повысить надежность и сократить количество перебоев в подаче электроэнергии. Специальные счетчики в домах и на предприятиях, а также датчики вдоль линий электропередач могут постоянно отслеживать спрос и предложение, а устройства размером с почтовый ящик, известные как синхрофазоры, измеряют поток электроэнергии в сети в режиме реального времени, позволяя операторам предвидеть и избегать сбоев.
Умные устройства могут «общаться» с сетью и переносить потребление электроэнергии на непиковые периоды, что снижает нагрузку на сеть, в конечном итоге снижает цены и помогает избежать отключений электроэнергии. Децентрализованные «микросети» могут быть объединены с новой аккумуляторной технологией, чтобы обеспечить подачу электроэнергии в сообщества, даже когда суровые погодные условия или другие отключения влияют на более широкую энергосистему.
Для просмотра этого видео включите JavaScript и рассмотрите возможность обновления веб-браузера до поддерживает HTML5 видео
Что такое интеллектуальная сеть?
Что такое интеллектуальная сеть?
С 2010 года Министерство энергетики инвестировало миллиарды долларов в инфраструктуру интеллектуальных сетей, и к 2017 году почти половина потребителей электроэнергии в США установили интеллектуальные счетчики. По данным EIA, к 2020 году было установлено более ста миллионов интеллектуальных счетчиков, и ожидается, что это число будет расти.
Каковы уязвимые места сети?
Экстремальные погодные явления, часто усугубляемые изменением климата, вызывают все большую обеспокоенность. Ураганы, метели, наводнения, аномальная жара, лесные пожары и даже вспышки на солнце могут вывести из строя стареющие линии электропередач. (Средний возраст электростанций составляет более тридцати лет, а силовым трансформаторам в среднем более сорока лет.) Кроме того, большая часть сетевой инфраструктуры строится над землей, что дешевле в строительстве, но более уязвимо. Увеличение изменчивости из-за изменения климата не только увеличит спрос на энергию, но и снизит эффективность ее производства и передачи.
«Все эти системы были построены только на допущении определенного диапазона крайностей».Элис С. Хилл, старший научный сотрудник CFR
Показательным примером стали перебои с подачей электроэнергии в Техасе в начале 2021 года. Температура в штате упала до тридцатилетнего минимума, отключив несколько источников выработки электроэнергии, а потребность в отоплении резко возросла.
Результатом стали повсеместные отключения электроэнергии, в результате которых миллионы людей остались без электричества во время разрушительной зимней бури; десятки людей погибли. В настоящее время штат пересматривает свой подход к регулированию энергопотребления, который позволяет коммунальным предприятиям избегать подготовки своего оборудования к зиме. Тем временем в Калифорнии повышение температуры способствовало веерным отключениям электроэнергии летом 2020 года, первым таким отключениям в штате почти за два десятилетия.
Проблема в том, что энергосистема была разработана для мира, которого больше не существует, говорит старший научный сотрудник CFR Элис С. Хилл, которая была старшим директором по политике устойчивости в Совете национальной безопасности при администрации Обамы. «Все эти системы были построены только на допущении определенного диапазона крайностей», — говорит она. «Это был безопасный способ строительства, потому что наш климат был стабильным». Поскольку изменение климата делает экстремальные погодные явления все более частыми и серьезными, «основываясь на прошлых моделях, вы очень уязвимы», добавляет она.
По словам Хилла, чтобы предотвратить бедствия в будущем, коммунальным службам необходимо укрепить сетевую инфраструктуру. Это может включать в себя закапывание линий электропередач или обеспечение огнестойкости надземных столбов. Цена бездействия высока, говорит она, отмечая, что отключение электричества в Техасе обошлось штату в 90 миллиардов долларов. У возобновляемых источников энергии есть свои уязвимые места: производство солнечной энергии в Австралии резко упало во время разрушительных лесных пожаров в 2019 и 2020 годах, когда солнце закрыли дым и сажа.
Кроме того, растущая зависимость сети от цифровых систем увеличивает вероятность кибератак. Недавние отчеты Счетной палаты правительства США предупреждают, что системы генерации, передачи и распределения электроэнергии становятся все более уязвимыми для кибервторжений. С 1970-х годов сетевые операторы полагались на центры электронного промышленного управления (IC), которые, как правило, не защищены от вредоносных программ, таких как вирус Stuxnet, атаковавший иранские ядерные объекты в 2010 году.
В 2019 году, энергосистема США впервые подверглась кибератаке, хотя она не привела к перебоям в подаче электроэнергии. В мае 2021 года атака программы-вымогателя вынудила временно закрыть один из крупнейших нефтепроводов в США.
Что делает Байден?
Президент Байден предложил крупные инвестиции в модернизацию энергосистемы США. Двухпартийный закон об инфраструктуре, который он подписал в ноябре 2021 года, включает 65 миллиардов долларов на модернизацию сети, включая новые линии электропередачи, интеллектуальные сети и технологии экологически чистой энергии, а также кибербезопасность. В 2022 году Министерство энергетики выступило с инициативой сотрудничать со штатами и предоставить им часть финансирования по закону.
Однако планы Байдена могут быть осложнены проблемами прокладки новых линий электропередачи, которые направлены на добавление в сеть мощностей возобновляемой энергии, а также на повышение надежности, позволяя операторам сетей более эффективно направлять электроэнергию туда, где она необходима.