Alternative Energiequellen sind die Zukunft der Welt. Die Zukunft der Energie: globale Trends, Träume und Realitäten. Joule von Drehkreuzen

Aufsatz

Energie der Zukunft. Alternative Techniken für die Zukunft

Planen

Auf dem Weg zum solaren Energiezeitalter

Thermonukleare Fusion

Höhenwind

Weltraumspiegel

Nanotech-Solarzellen

Globales Supernetz

Wellen und Gezeiten

Mikrobiologische Energie

Die Schaffung der Nukleartechnologie wird zu Recht als Revolution im Energiesektor anerkannt, und ihre Schöpfer behaupten nicht ohne Grund, dass die Kernenergie zum Kern der Energiewirtschaft der Zukunft werden sollte und wird. Kann man unter diesen Bedingungen also von einer Art „Solarzeitalter“ der Energie sprechen? Ja, noch vor Kurzem wäre ein solches Gerede haltlos gewesen. Aber heute, mit der rapiden Reduzierung der leicht zugänglichen Öl- und Gasreserven und der ständigen Verschärfung der Anforderungen an die chemische, Strahlungs- und thermische Reinheit der Energieerzeugung, ist es bereits klar, dass die Entwicklung der terrestrischen Energie bald nicht durch technische, Aber aufgrund von Umweltbarrieren müssen leistungsstarke thermonukleare Kraftwerke höchstwahrscheinlich außerhalb der Erde errichtet werden. Gleichzeitig die Zeit läuft schnelle Verbesserung der Prozesse zur Erfassung und Umwandlung von in jeder Hinsicht absolut reiner Sonnenenergie.

Für die Solarenergie im Weltraum eröffnen sich noch weitere wunderbare Perspektiven. Es ist kein Zufall, dass der Akademiker M. V. Keldysh als Leiter des sowjetischen Raumfahrtprogramms sehr besorgt über die Entwicklung dieser Richtung war. „Bei seinen Treffen“, erinnert sich Akademiemitglied V. S. Avduevsky, „haben sie mehr als einmal diskutiert Verschiedene Optionen Entwürfe von orbitalen Solarkraftwerken, Start- und Montagemethoden im Weltraum, Fragen der Herstellung von Filmen für Solarbatterien, Probleme der Energieumwandlung und -übertragung zur Erde unter Berücksichtigung des Schutzes Umfeld und wirtschaftliche Wirkung.“

Heutzutage wird das Problem der Beherrschung der Sonnenenergie des Weltraums zu einem der Hauptanreize für die Entwicklung der außerirdischen Produktion, so wie es Ende des letzten Jahrhunderts als Grundlage für die Geburt der wissenschaftlichen Raumfahrt diente. Dann war K. E. Tsiolkovsky erstaunt über die bekannte Tatsache, dass fast die gesamte Energie der Sonne verschwendet und für den Menschen nutzlos war, und begann gezielt nach einer Möglichkeit zu suchen, all diese Energie zu beherrschen. Als Ergebnis entwickelte er die Theorie Strahlantrieb und eine Flüssigtreibstoffrakete wurde als echtes Mittel zur Raumfahrt erfunden. Der Traum, zu den Sternen zu fliegen, wurde zur Wissenschaft – zur theoretischen Raumfahrt. Tsiolkovsky schloss den zweiten Teil seines 1912 veröffentlichten bahnbrechenden Werks „Erforschung der Welträume mit reaktiven Instrumenten“ mit den Worten ab: „Reaktive Instrumente werden grenzenlose Räume für Menschen erobern und Sonnenenergie liefern, die zwei Milliarden Mal größer ist als das, was die Menschheit auf der Erde hat.“ .

Der größte Teil der Menschheit wird aller Wahrscheinlichkeit nach nie untergehen, sondern von Sonne zu Sonne wandern, wenn sie erlischt.

Der historische Optimismus von Tsiolkovskys Lehren inspirierte viele dazu, selbstlos an der Umsetzung seiner Ideen zu arbeiten. Und in der UdSSR fanden diese Ideen nach dem Sieg im Oktober landesweite Anerkennung; im ganzen Land entstanden Zirkel, Gesellschaften und Gruppen zur Erforschung der interplanetaren Kommunikation und des Düsenantriebs. Zertifizierte Ingenieure und Wissenschaftler begannen, sich mit dem Problem zu befassen. Einer von ihnen, Akademiker D. A. Grave, hielt es 1925 für notwendig, Astronautik-Enthusiasten mit seinem maßgeblichen Grußwort zu ermutigen, in dem er schrieb: „Zirkel zur Erforschung und Eroberung des Weltraums stoßen in vielen öffentlichen Kreisen auf eine eher skeptische Haltung.“ Man denkt, es handele sich um fantastische, unbegründete Projekte für Reisen durch den interplanetaren Raum im Sinne von Jules Verne, Wells oder Flammarion und anderen Romanautoren im Allgemeinen.

Ein professioneller Wissenschaftler, beispielsweise ein Akademiker, kann diesen Standpunkt natürlich nicht vertreten.

Mein Mitgefühl für Ihren Kreis beruht auf ernsthaften Überlegungen. Bereits vor fünf Jahren habe ich auf den Seiten der Zeitung „Kommunist“ auf die Notwendigkeit hingewiesen, die elektromagnetische Energie der Sonne zu nutzen. Dabei ließ ich mich nicht von irgendwelchen phantastischen Überlegungen leiten, sondern von der unerbittlichen Logik der Gesamtheit der Tatsachen ...

Der einzige Weg Ein praktischer Ansatz zur Nutzung der elektromagnetischen Energie der Sonne wurde vom russischen Wissenschaftler K.E. beschrieben. Tsiolkovsky mit Hilfe von Jet-Instrumenten oder interplanetaren Fahrzeugen, die für diese Zwecke bereits ausgereift sind und die Realität von morgen sind. Daher ist die Organisation dieser Kreise zeitgemäß und angemessen.“

Tsiolkovsky selbst und seine Anhänger identifizierten für die Kosmonautik neben dem ursprünglichen Ziel, die Energie der Sonne zu beherrschen, viele andere, vergleichsweise leichter erreichbare und daher relevantere Ziele und Vorgaben für die Erforschung und Entwicklung des Weltraums im Interesse der Wissenschaft und die Volkswirtschaft, die zum Hauptanreiz für die rasche Entwicklung der Raketentechnologie wurde. - Weltraumtechnologie. Doch der Begründer der Raumfahrt machte immer wieder auf die Probleme aufmerksam, die mit der Lösung des ursprünglichen Ziels verbunden sind. Hier sind Fragmente seiner Werke.

1920 Elektrischer Strom kann im Äther auf die gleichen vielfältigen Arten erzeugt werden wie auf der Erde. Direkte Nutzung der Sonnenwärme durch thermoelektrische Batterien. Letzteres wird unwirtschaftlich sein, obwohl mit der Zeit vielleicht Stoffe für thermoelektrische Batterien gefunden werden, die fast die gesamte Sonnenwärme in Strom umwandeln.

Solarmotoren, die einen sehr hohen Prozentsatz (bis zu 50 % oder mehr) der Sonnenenergie nutzen können, sind zuverlässiger für die Stromerzeugung. Ihr Aufbau entspricht im Wesentlichen dem von gewöhnlichen Dampfmaschinen mit Kühlschrank... Wie auf der Erde wandelt ein großer, leistungsstarker Motor seine Energie mit Hilfe eines Dynamos fast vollständig in Elektrizität um.

1926 Wir können die Eroberung erreichen Sonnensystem eine sehr zugängliche Taktik. Lösen wir zunächst das einfachste Problem: eine ätherische Siedlung in der Nähe der Erde als ihrem Satelliten zu errichten ... Nachdem wir uns hier nachhaltig und sozial niedergelassen haben und uns gut an das Leben im Äther gewöhnt haben, sind wir bereits mehr der einfache Weg Wir werden unsere Geschwindigkeit ändern, uns von der Erde und der Sonne entfernen und im Allgemeinen herumlaufen, wo immer wir wollen. Überall gibt es eine große Fülle an Energie in Form der niemals erlöschenden, kontinuierlichen und jungfräulichen Strahlen der Sonne. Es gibt so viel von dieser Energie, wie Sie möchten, und es ist nicht schwierig, sie in großen Mengen mit von der Rakete ausgehenden Leitern oder anderen unbekannten Mitteln einzufangen ...

1927 Solarenergie ist König; Nur wissen wir nicht, wie wir es nutzen sollen, und die Atmosphäre, die unbedeutende Bevölkerung (Tsiolkovsky glaubte, dass die Bevölkerung der Erde in Zukunft um ein Vielfaches zunehmen sollte. - Hrsg.), Unwissenheit usw. behindern dies ebenfalls . Diese Energie ähnelt elektrischer Energie und daher werden sie Mittel finden, sie fast vollständig in mechanische, chemische und andere Energiearten umzuwandeln. Es ist nur unsere Unwissenheit, die uns dazu zwingt, fossile Brennstoffe zu nutzen. Und wie lange ist mineralischer Treibstoff haltbar?

1929 Welchen Nutzen kann die Menschheit aus der Zugänglichkeit himmlischer Räume ziehen? Viele Menschen stellen sich himmlische Schiffe vor, auf denen Menschen von Planet zu Planet reisen, die Planeten nach und nach bevölkern und von ihnen die Vorteile profitieren, die gewöhnliche irdische Kolonien bieten. Die Dinge werden sehr schief gehen. Das Hauptziel und die ersten Erfolge beziehen sich auf die Ausbreitung des Menschen im Äther, die Nutzung der Sonnenenergie und die überall verstreuten Massen. Aus ihnen entsteht eine Sphäre, die ein Mensch besetzen kann! Bei doppelter Entfernung von der Sonne ist er 2,2 Milliarden Mal größer als die gesamte Erdoberfläche. Diese Kugel empfängt die gleiche Menge Sonnenenergie wie die Erde.

Und so begann das vorhergesagte Tsiolkovsky Weltraumzeitalter Menschheit. Obwohl die Flüge der ersten Satelliten rein wissenschaftliche Zwecke verfolgten, inspirierten sie neues Leben und Solarenergie. Bereits 1958 wurden der dritte sowjetische und der erste amerikanische Satellit mit Sonnenkollektoren ausgestattet. Keine andere Energiequelle könnte unter den realen Bedingungen eines mehrmonatigen Raumflugs mit ihnen konkurrieren. Mit der Entwicklung der praktischen Raumfahrt kam es zu einer raschen Verbesserung der Solargeneratoren. Berufserfahrung Orbitalstation Salyut-6 zeigte, dass das Problem der Stromversorgung sehr energieintensiver Geräte moderner Raumfahrzeuge mithilfe von Solarenergie vollständig gelöst wurde. Die Erfolge der Raumfahrt haben Perspektiven für die zukünftige Schaffung grandioser Weltraum-Solarkraftwerke (SPS) eröffnet, um nicht nur Geräte und Strukturen im Orbit, sondern auch die Erde mit Energie zu versorgen.

Wir haben bereits ein wenig über IES-Projekte geschrieben (siehe TM, Nr. 3 für 1973) und gehen davon aus, dass sie bis 2050 möglich, aber aufgrund des geringen Ausmaßes unwahrscheinlich sind Wirtschaftlichkeit Bereich der Entwicklung der Weltraumtechnologie. Aber Ideen ändern sich. Heute hat sich die Meinung gebildet, dass der Energiebedarf der Menschheit IES gleich zu Beginn des 21. Jahrhunderts profitabel machen kann. Dadurch ist dieses Thema zu einem der meistdiskutierten Themen auf internationalen und nationalen Raumfahrtkongressen und Symposien geworden. Beispielsweise gab es bei den Tsiolkov-Lesungen im Jahr 1980 fünf wissenschaftliche Berichte über CES.

Der XXVI. Kongress der KPdSU stellte es sich zur Aufgabe, einerseits die Bemühungen auf die weitere Erforschung und Erforschung des Weltraums im Interesse der Entwicklung von Wissenschaft, Technologie und Volkswirtschaft zu konzentrieren und andererseits die Ausmaß der Nutzung erneuerbarer Energiequellen in der Volkswirtschaft. Die Umsetzung seiner Entscheidungen wird zweifellos die Zeit des „Solarzeitalters“ der Energie näher bringen.

Anfang Februar 2006 fand unter dem Vorsitz der Russischen Föderation in der G8 und im Rahmen der Internationalen Partnerschaft für die Wasserstoffwirtschaft (IPHE) das Weltforum „Wasserstofftechnologien für die Energieerzeugung“ statt, dessen Hauptsponsor Das waren die Nationale Innovationsgesellschaft „New Energy Projects“ und MMC „Norilsk Nickel“.

Der starke Wettbewerb auf dem Energiemarkt für die traditionelle Erzeugung ist auf das Vorhandensein einer großen Anzahl alternativer Energiequellen zurückzuführen. In vielen Ländern der Welt sorgen Solarkraftwerke, Windparks und Bioenergieanlagen für erhebliche Mengen Strom. Allerdings gibt es auch verschiedene zukünftige Energiequellen, die gerade ihre ersten Tests in wissenschaftlichen Laboren auf der ganzen Welt durchlaufen.

1 Wasserstoffkraftstoff.
Vorteile: eine der günstigsten und effizientesten alternativen Energiequellen.
Obwohl Wasserstoff den Titel des am häufigsten vorkommenden Elements im Weltraum trägt, kommt Wasserstoff auf dem Planeten Erde nur in Form verschiedener Verbindungen vor. Um es rein zu bekommen reiner Form Für die weitere Nutzung im Energiesektor ist ein gewisser Energieaufwand erforderlich. Am häufigsten wird fertiger Wasserstoff in spezielle Brennstoffzellen oder Wasserstoffzellen gefüllt, die die Grundlage für die Produktion von Wasserstoffautos oder Wasserstofftankstellen bilden.

2 Abfälle aus Kernkraftwerken.
Vorteile: Möglichkeit der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen.
Die ersten Reaktoren konnten während ihres Betriebs nur 5 % der Atome sinnvoll verarbeiten, der Rest des Kernbrennstoffs wurde als Abfall abgeschrieben. Atommüll. Moderne Reaktoren nutzen bis zu 95 % der in einen Kernreaktor geladenen Atome, und es ist auch möglich, abgebrannte Brennelemente der vorherigen Generation als Kernbrennstoff zu verwenden.

3 fliegende Windgeneratoren.
Vorteile: stabile Windgeschwindigkeit in der Höhe.
Die Effizienz der Windenergie wird durch die Stärke und Konsistenz der Windströme bestimmt. Um den größtmöglichen Nutzen aus einem Windgenerator zu ziehen, muss dieser auf eine Höhe von 300 bis 600 Metern angehoben werden, wo der Wind stabiler ist. Es gibt bereits erste Modelle fliegender Windgeneratoren, deren kommerzieller Betrieb in Alaska beginnen soll.

4 Stadt der Zukunft.
Vorteile: Energieeinsparungen in großen Wohngebieten.
In Japan entstand das erste energieeffiziente Viertel der „Stadt der Zukunft“. Der gesamte Block wird durch Sonnenkollektoren beleuchtet. Jede Garage verfügt über ein Ladegerät für Elektrofahrzeuge, das mit Solarpaneelen betrieben wird. Bewegungssensoren, Regenwassernutzungssysteme und intelligente Energieverteilungssysteme verhindern unnötige Energieverschwendung.

5 Lavaenergie
Vorteile: Ideale Energiequelle für Länder mit Große anzahl Vulkane.
Auf den Philippinen stammt inzwischen ein Viertel des Energieverbrauchs des Landes aus Lava. Der einzige Nachteil solcher Systeme ist die Temperatur des „Energieträgers“, der nicht einfach durch eine Rohrleitung gepumpt werden kann.

Schon vor einigen Jahrzehnten begann man darüber zu sprechen, den Bergbau aufzugeben. Die verfügbaren Reserven an Öl, Gas und Kohle werden für die Erdbewohner nicht lange reichen, daher ist eine Steigerung der Energieeffizienz erforderlich. Ein anderer Grund - Die ökologischen Probleme, die von allen Bewohnern des Planeten gespürt werden. Um jedoch auf klassische Energiequellen zu verzichten, muss ein Ersatz dafür gefunden werden – wenn nicht rentabler, dann zumindest in der Effizienz vergleichbar. Was bieten Wissenschaftler statt Gas, Öl und Kohle?

1. Weltraumsolarstationen sammeln mehr Sonnenenergie als bodengestützte

Wirtschaftlich profitable Produktion Solarenergie ist eine komplizierte Angelegenheit, da aufgrund der Erdatmosphäre die Intensität der Sonneneinstrahlung nicht ausreicht. Eine Möglichkeit zur Lösung des Problems besteht darin, „Solarparks“ im Weltraum zu bauen, die die Strahlung der Sonne „in ihrer reinen Form“ sammeln und die angesammelte Energie mithilfe von Laserstrahlen oder Mikrowellen auf die Erde übertragen. Das Problem ist der Preis – er übersteigt das Angemessene. Aber in Zukunft werden Sonnenkollektoren effizienter sein, die Kosten für den Start von Schiffen und Fracht in die Umlaufbahn werden sinken und „Weltraum-Solarparks“ werden in der Lage sein, uns mit Energie zu versorgen.

Diagramm, das den Unterschied in der Anzahl der Strahlen zeigt, die auf die Sonnenstation der Erde (links) und die Raumstation (rechts) treffen.

Konzept einer Station, die Energie von der Sonne sammeln würde, von der NASA

2. Menschliche Energie lädt Geräte auf

Es gibt bereits Systeme, die mit Muskelkraft aufgeladen werden können. Der Mensch erzeugt jedoch eine Vielzahl von Bewegungen, die theoretisch in Energie umgewandelt werden könnten. Relativ gesehen bewegen Sie Ihren Finger jetzt „vergeblich“ über den Smartphone-Bildschirm – laden Sie dabei aber möglicherweise Ihr Smartphone auf. Wenn ein Gerät die Anzahl der Schritte zählen und auf Bewegungen reagieren kann, warum kann es dann nicht durch Fingerbewegungen aufgeladen werden? Wissenschaftler erforschen dieses Problem, es gibt jedoch noch keine Ergebnisse oder Prototypen selbstladender Geräte.

3. Gezeiten sind eine weitere Energiequelle

Es gibt Hunderte von Unternehmen, die sich mit Gezeitenenergie befassen, und in einigen Regionen wird Wellenenergie für praktische Zwecke genutzt. So werden in Australien einige Entsalzungsanlagen vollständig durch Ebbe und Flut betrieben.

4. Wasserstoff ist günstig und umweltfreundlich

Zuvor wurden NASA-Shuttles mit diesem Treibstoff betrieben. Das Problem besteht darin, dass Wasserstoff, obwohl er das häufigste Element im Weltraum ist, auf der Erde nur in Form von Verbindungen vorkommt. Das bedeutet, dass man Energie aufwenden muss, um ein reines Element zu erhalten. Danach kann es aber in Brennstoffzellen „verpackt“ und bestimmungsgemäß genutzt werden. Honda beispielsweise produziert Autos, die mit Energie aus solchen „Wasserstoffzellen“ betrieben werden. In Kalifornien (USA) entstehen Wasserstofftankstellen. Südkorea und Deutschland.

5. Geothermie – Lavaenergie

Lava liefert 27 % der Energie auf den Philippinen und 30 % der Energie in Island. In Island wurde kürzlich eine kühle Quelle geothermischer Energie entdeckt – ein unterirdischer magmatischer See, und die Effizienz der geothermischen Energieerzeugung hat sich verzehnfacht.

Dies ist ein profitables System, aber es ist zu stark von den geologischen Gegebenheiten des Gebiets abhängig. Magma kann im Gegensatz zu Gas oder Öl nicht durch eine Pipeline gepumpt werden.

6. Atommüll – alte Uranstäbe können wiederverwendet werden

Beim Entwurf eines „klassischen“ Kernkraftwerks werden Uranstäbe in Wasser getaucht und am Ende ihrer Lebensdauer werden nur 5 % der Uranatome verbraucht – die restlichen 95 % landen im Abfall mit der Bezeichnung „Atommüll“. .“ Die neue Technologie beinhaltet das Eintauchen der Stäbe in flüssiges Natrium und wird das Verhältnis von verbrauchten und ungenutzten Ressourcen verändern – 5 % des Urans werden verschwendet und 95 % werden in Energie umgewandelt. Darüber hinaus besteht in solchen Reaktoren die Möglichkeit, ausgemusterte Stäbe aus Kernkraftwerken der Vorgängergeneration wiederzuverwenden. Hitachi hat bereits neue „Schnelle Reaktoren“ gebaut und verkauft sie, aber der Bau einer solchen Station ist sehr teuer. Darüber hinaus ist die Welt immer noch misstrauisch gegenüber Kernkraftwerken – jeder erinnert sich an mehrere schwere Unfälle, darunter die Katastrophe im Kernkraftwerk Tschernobyl.

7. Transparente (Fenster-)Solarmodule

Deutschland, wo sich das Klima nicht allzu sehr von der Ukraine unterscheidet, beschäftigt sich mit der Produktion von Solarenergie. Die Kosten für die Herstellung von Batterien sinken, während Effizienz und Beliebtheit steigen. Darüber hinaus haben Wissenschaftler aus Los Angeles transparente Solarmodule entwickelt, die direkt auf der Fensterscheibe montiert werden. Die Technologie ist teuer, aber in den nächsten zwei bis drei Jahren wird sie billiger genug sein, um den Vorschlag wirtschaftlich rentabel zu machen.

8. Algen-Biokraftstoff

Innerhalb von 11 Jahren – von 2002 bis 2013 – stieg die Biokraftstoffproduktion um etwa 500 %. Grund ist der Bedarf an Ethanol (Alkohol) und Biodiesel, die dem Kraftstoff beigemischt werden. Laut Henry Ford, dem Erfinder des modernen Autos, sollte der Motor mit Ethanol betrieben werden. Doch dann wurden viele neue Ölfelder entdeckt und es war sehr günstig. Mittlerweile ist es nicht mehr die rentabelste Kraftstoffart, und Ethanol erlebt ein Comeback. Das Problem des „klassischen“ Biokraftstoffs Ethanol besteht darin, dass für seine Herstellung dieselben Rohstoffe und dieselben Flächen verwendet werden wie für den Anbau von Nahrungspflanzen. Das heißt, die Energiewirtschaft beginnt mit der Lebensmittelindustrie zu konkurrieren.

Dieses Problem können Sie mit Hilfe von Algen lösen. Unprätentiös, schnell wachsend, wodurch die notwendigen Bestandteile leicht gewonnen werden können und der „trockene Rückstand“ verarbeitet und für den Anbau einer neuen Algenernte verwendet werden kann.

9. Fliegende Windmühlen sind eine Wiedergeburt einer alten Technologie

Die Nutzung von Windenergie ist eine klassische Technologie. Doch die Effizienz lässt sich deutlich steigern und Energie kann überall auf der Welt produziert werden, nicht nur in Regionen mit günstigen Geländeverhältnissen. Damit Windmühlen effektiv sind, ist eine erhebliche Windkraft erforderlich. Und die Lösung des Problems ist einfach: Es reicht aus, die Windkraftanlage 300–600 Meter über dem Meeresspiegel anzuheben, wo die Luftströme stärker und stabiler sind. Die ersten „fliegenden Windturbinen“ werden in Alaska installiert. Vom Aufbau her handelt es sich um ein Luftschiff mit montierter Turbine. Wenn der Wind zu stark ist, „parkt“ eine solche Windmühle von selbst auf dem Boden. Und die Automatisierung wird es ihm ermöglichen, die optimale Position im Raum zu wählen.

10. Die Kernfusion ist eine Quelle nahezu unbegrenzter Energie

Die Kernfusion ist sicher, da sie im Gegensatz zu einem Kernreaktor Atome vereint, anstatt sie zu spalten. Es gibt ein internationales Projekt zur Entwicklung eines thermonuklearen Reaktors – ITER, dem sich EU-Länder angeschlossen haben (im Rahmen von offiziell als Ganzes erklärt). dieses Projekts) sowie China, Indien, Russland, Republik Korea, USA, Kasachstan und Japan. Das Projekt besteht seit 25 Jahren, technische Entwicklung technisches Design Der Reaktor ist längst fertiggestellt. Im Jahr 2013 begann der Bau in Frankreich. Bis 2020 wollen Wissenschaftler mit den ersten Experimenten mit Plasma beginnen.

Parallel dazu einige kommerzielle Organisationen eigene Forschung in die gleiche Richtung betreiben. Im Erfolgsfall wird die Welt mit günstiger und praktisch unbegrenzter Energie versorgt.

Trotz erheblicher Investitionen in die Entwicklung alternativer Energiequellen decken diese heute weniger als 1 % des weltweiten Strombedarfs der Menschheit. Aber diese Zahl wächst jedes Jahr stetig.

Im Jahr 1872 erfand der russische Erfinder Alexander Lodygin eine elektrische Glühbirne, doch zu diesem Zeitpunkt konnte er sich noch nicht einmal vorstellen, dass konventionelle Kraftwerke ab der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts nicht mehr in der Lage sein würden, die wachsenden Bedürfnisse der Menschheit zu befriedigen, ohne der Menschheit zu schaden Umfeld. Dabei geht es noch nicht einmal um die Beleuchtung von Wohnräumen, denn in vielen Ländern sind Halogenlampen bereits zum Standard geworden und eine noch energieeffizientere Technologie ist auf dem Weg – LEDs. Hauptgrund Der rasant wachsende Stromverbrauch auf dem Planeten führt zur Entstehung völlig neuer Gerätetypen, die Gigawatt Strom verbrauchen. Zunächst geht es um Rechenzentren und Elektrofahrzeuge.

Rechenzentren – Computertechnologien Heute- verbrauchen nicht nur so viel Strom wie ein ganzes Wohnviertel der Stadt, sondern geben auch enorme Mengen Wärme ab. Darüber hinaus ist es kaum vorstellbar, wie stark der Energieverbrauch von Elektroautos in naher Zukunft steigen wird – vielversprechende Entwicklungen, die jedoch bislang für einen breiten Einsatz ungeeignet sind. Diese Probleme zwingen die klügsten Köpfe unserer Zeit, nach neuen, kostengünstigen Wegen zur Stromerzeugung zu suchen, die die negativen Auswirkungen auf die Biosphäre minimieren. Viele Technologien werden bereits auf allen Kontinenten aktiv eingesetzt. Anderen zufolge sind bisher nur experimentelle Installationen entstanden – ihre Schöpfer müssen die Rationalität ihrer Ideen noch beweisen. Aber vielleicht liegt die Zukunft unseres Planeten in den fantastischsten Methoden.

Solarenergie

Bei der Solarenergie wird die Sonnenstrahlung direkt genutzt, um in irgendeiner Form Energie zu erzeugen. Die Sonne ist wie der Wind eine erneuerbare Quelle.

Auf Fotozellen basierende Solarmodule, die Photonenenergie in Strom umwandeln, erzeugen keinen schädlichen Abfall. Ihr Hauptvorteil ist die Kombinationsfähigkeit mit Wärmekraftmaschinen, die es ermöglicht, den Menschen nicht nur mit Strom, sondern auch mit Heizung und Wärme zu versorgen heißes Wasser. First Solar, Suntech und Sharp sind die drei führenden Unternehmen im Solarzellenmarkt. Solarkraftwerke (SPP) sind in Deutschland, Spanien und Japan weit verbreitet. Leider machte Solarenergie im Jahr 2010 nur 0,1 % des gesamten weltweit erzeugten Stroms aus, denn diese Methode hat seine Nachteile. Solarbatterien sind teuer (die Herstellung von Fotozellen mit hohem Wirkungsgrad erfordert erhebliche Kosten) und ihre Effizienz hängt direkt vom Wetter und der Tageszeit ab. Darüber hinaus sind Solarzellen auf Cadmiumbasis schwierig zu recyceln. Allerdings gibt es Miniatursolarzellen in In letzter Zeit weit verbreitet in der Elektronik.

Strom aus Wellen erzeugen

Die Kraft der Wellen wurde von antiken griechischen Dichtern und Philosophen bewundert. Moderne Spezialisten sind praktischer: Sie nutzen Wellenenergie nicht nur zur Stromerzeugung, sondern auch zur Wasserentsalzung in Regionen mit übermäßig trockenem Klima. Theoretisch hat Wasser eine viel größere kinetische Energie als Luft, wodurch es um ein Vielfaches mehr Strom erzeugen kann. Ausrüstung für den Bau von Wellenkraftwerken wird von Marine Current Turbine, Wavegen, Ocean Power Delivery und anderen Unternehmen entworfen. Solche Lösungen sind ideal für Staaten mit großer Ausdehnung Meeresküste und starke Windböen. Beispielsweise nutzt das Wellenkraftwerk Oyster in Großbritannien den erzeugten Strom zur Herstellung von Wasserstoff und Aluminium.

Wasserstoff und Schwefelwasserstoff

Wasserstoff ist eine völlig abfallfreie Stromquelle, da er durch seine Verbrennung zusätzlich zu große Menge Wärme wird nur durch Wasser (H2O) freigesetzt – ein natürlicher und für die Umwelt völlig unbedenklicher Stoff. Führende Automobilkonzerne – Daimler, Honda, General Motors, Hyundai und Fiat – produzieren bereits Autos mit einem Verbrennungsmotor, der mit Wasserstoff betrieben werden kann. Japan bereitet die Inbetriebnahme des weltweit ersten Wasserstoffzuges vor und Deutschland hat bereits U-Boote der U-212-Klasse mit Wasserstoff-Brennstoffzellen von Siemens ausgeliefert. In den USA ist der Bau von FutureGen-Wasserstoffkraftwerken mit einer Leistung von 275 MW im Gange, China bereitet seine Antwort vor – ein GreenGen-Kraftwerk mit doppelter Kapazität.

Beide Projekte nutzen Kohlevergasungstechnologie, die dieser Moment ist am günstigsten – 2 US-Dollar (16 Griwna) pro Kilogramm Wasserstoff. Der Rohstoff für seine Herstellung ist ebenfalls Schwefelwasserstoff (H2S) – in den Tiefengewässern der Meere und Ozeane ist seine Konzentration sehr hoch. Durch die Verarbeitung von Schwefelwasserstoff zu Wasserstoff werden nicht nur große Mengen Kraftstoff für Fahrzeuge und Kraftwerke erzeugt, sondern auch ein Anstieg der Konzentration dieses giftigen Stoffes im Meerwasser verhindert.

Energie aus dem Weltraum

Alle zuvor beschriebenen alternativen Stromquellen haben das Stadium der Versuchsinstallation längst hinter sich, sind tatsächlich funktionsfähig und bringen spürbare Vorteile.

Was man über diese Version nicht sagen kann: Sie bewegt sich immer noch auf einem schmalen Grat zwischen den Werken der Klassiker Science-Fiction Und die neuesten Technologien.

Wir sprechen über Weltraumenergie. Diese Branche ist eng mit der Solarenergie verbunden, da sie ähnliche Solarmodule auf Basis von Photovoltaikzellen verwendet. Es gibt nur einen Unterschied: Riesige Sonnenkollektoren müssen sich in der Erdumlaufbahn befinden, von wo aus der erzeugte Strom in Form von Radiowellen übertragen wird. Die Schwierigkeit, praktische Experimente durchzuführen, verhindert schnelle Entwicklung dieser Art von Energie, denn nur Länder, die über eigene Weltraumhäfen verfügen, können es sich leisten, Testanlagen in die Umlaufbahn zu bringen. Darüber hinaus ist noch nicht klar, wie genau die Ingenieure den Schaden durch die einströmenden Gigawatt Energie minimieren wollen Erdatmosphäre, bereits stark überlastet mit Satellitenfernsehen und Mobilfunk. Generell ist die Weltraumenergie noch eher ein Experiment und muss in den kommenden Jahrzehnten ihr Potenzial unter Beweis stellen. Aber schon jetzt ist klar, dass die Menschheit bald nicht mehr genug Strom nur auf der Erde erzeugen wird – sie wird ihre Quellen außerhalb des Planeten suchen müssen.

Stromerzeugung aus Biokraftstoffen

Diagramm eines Autos, das mit Biogas und konventionellem Kraftstoff betrieben wird. Es ist ein Fehler, nur die Produkte aus der Verarbeitung von Pflanzenstängeln und -samen als Biokraftstoffe zu bezeichnen. Tatsächlich verwenden Menschen seit Anbeginn der Zivilisation die einfachsten festen Biokraftstoffe. Die Rede ist natürlich von Holz. Heutzutage wird Holz immer seltener verwendet: Es ist ein zu wertvolles Material. Es wurde durch Briketts aus gepressten Spänen ersetzt. Doch noch immer liegt die Zukunft nicht in festen, sondern in flüssigen Biokraftstoffen.

Bioethanol wird durch die Verarbeitung von Raps, Mais und Zuckerrohr gewonnen, Biomethanol – durch Fermentation von Phytoplankton, Biodiesel – aus tierischen und pflanzlichen Fetten. Am häufigsten werden Biokraftstoffe als Ersatz für Benzin verwendet, jedoch in vielen Ländern Wärmekraftwerke(TPPs) sind von Heizöl und Kohle darauf umgestiegen. Bioethanol, dessen Produktion sich auf Brasilien und die Vereinigten Staaten konzentriert, deckt 1,5 % des weltweiten Bedarfs an flüssigen Kraftstoffen. Diese Zahl mag unbedeutend erscheinen, aber führende Analysten schätzen, dass ein Stopp der Produktion aller Arten von Biokraftstoffen zu einem Anstieg der Kosten für ein Barrel Öl um 15 Prozent führen würde. In 2010 Europäische Union führte eine einheitliche Standardisierung von Biokraftstoffen ein – EN-PLUS.

Aber auch bei dieser Energiequelle gab es etwas Negatives. Die Weltgemeinschaft ist besorgt über das Problem des wachsenden Biokraftstoffverbrauchs, da Felder mit fruchtbarem Land zunehmend nicht mit Nahrungspflanzen (Weizen, Roggen oder Reis), sondern mit Raps besät werden.

Aktuelle experimentelle Technologien

Es gibt viele saubere Stromprojekte, die großes Potenzial haben, sich aber noch in der Entwicklungsphase befinden. Einer der vielversprechendsten ist heute die Herstellung von Biokraftstoffen der dritten Generation durch Verarbeitung spezieller Typ Algen mit hohem Ölgehalt. Hinsichtlich ihrer energetischen Eigenschaften sind sie anderen Rohstoffen deutlich überlegen. Solche Algen sind in der natürlichen Umwelt nicht weit verbreitet, wachsen aber in künstlichen Reservoirs sehr schnell. Die größte technologische Schwierigkeit besteht jedoch darin, dass Algen sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren – sie müssen auf einem bestimmten Niveau ohne auch nur minimale Schwankungen gehalten werden.

Antimaterie

Ein langjähriger Traum von Wissenschaftlern ist die Gewinnung von Antimaterie. Jede Substanz besteht aus Teilchen und Antimaterie besteht aus Antiteilchen. Diese beiden Substanzen sind völlig gegensätzlich: In gewöhnlicher Materie sind es die Protonen in einem Atom positive Ladung, und Elektronen sind negativ, in der Antimaterie ist alles umgekehrt – Antiprotonen mit negative Ladung und Positronen mit positiv. Teilchen aus Antimaterie und gewöhnlicher Materie vernichten sich bei Kontakt – sie verschwinden und gleichzeitig wird eine große Menge Energie freigesetzt. Eine Tonne Antimaterie könnte den jährlichen Energiebedarf des gesamten Planeten decken.

Stromreservierung und -speicherung

Ein Überschuss an erzeugter Energie zu einem Zeitpunkt und ein Mangel an erzeugter Energie zu einem anderen Zeitpunkt ist ausnahmslos für alle intermittierenden Quellen charakteristisch – Wind, Sonne, Wellen usw.

Theoretisch gibt es eine ziemlich einfache Lösung für dieses Problem – die Verwendung von Batterien. Doch in der Praxis ist alles viel komplizierter, als es auf den ersten Blick scheint.

Die Notwendigkeit, Batterien zu verwenden, erhöht die Kosten für ein Megawatt erzeugten Stroms erheblich.

Heutzutage werden häufig Blei-Säure-, Nickel-Metallhydrid-, Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien verwendet. Bleisäure, die weltweit am häufigsten vorkommende Bleisäure, zeichnet sich durch eine hohe EMF (elektromotorische Kraft) und einen weiten Betriebstemperaturbereich (von –40 bis +40 °C) aus. Sie werden am häufigsten als Notstromquellen verwendet. Aber Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien zeichnen sich durch ihre geringe Größe und Wartungsfreundlichkeit aus. Es ist jedoch zu beachten, dass sie den Auswirkungen des Alterns und ihrer Dauer unterliegen Lebenszyklus lässt viel zu wünschen übrig.

Abschluss

Trotz erheblicher Investitionen in die Entwicklung alternativer Energiequellen decken diese heute weniger als 1 % des weltweiten Strombedarfs der Menschheit. Diese Zahl steigt jedoch jedes Jahr stetig an, da die Kosten pro Megawatt Strom, der mit solchen Methoden erzeugt wird, rapide sinken. Derzeit investieren China, die USA, Großbritannien und Indien am meisten in die Entwicklung sauberer Energie. Bis 2020 sollen die weltweiten Investitionen in erneuerbare Energien auf 1,7 Billionen US-Dollar steigen.

Die Idee, Meereswellen zur Energiegewinnung zu nutzen, ist nicht gerade neu: Bereits 1799 wurde eine Patentanmeldung für eine Wellenmühle eingereicht. IN Ende des 19. Jahrhunderts Jahrhundert kinetische Energie Sie lernten, Wellen in Strom umzuwandeln – und erst 2008 ging in Portugal das erste Wellenkraftwerk an den Start. Seine Leistung war gering – nur 2,25 MW –, aber das Potenzial der Wellenenergie wurde geschätzt, und jetzt werden ähnliche Projekte in einem Dutzend Ländern, darunter Russland, geschaffen.

Laut Wissenschaftlern wird Wellenenergie in Zukunft rentabler sein als Windenergie (die spezifische Kraft der Wellen ist um eine Größenordnung höher als die spezifische Kraft des Windes), und an die Meere angrenzende Länder werden in der Lage sein, bis zu 5 % des Stroms stammen aus Wellen.

Virusenergie

Stellen Sie sich vor, dass Viren – mikroskopisch kleine Schädlinge, die Krankheiten übertragen – eine gute Energiequelle sein können. Wissenschaftlern des Lawrence National Laboratory (USA) ist es gelungen, sie für diesen Einsatz anzupassen. Das von ihnen modifizierte Bakteriophagenvirus namens M13 erzeugt elektrische Ladung beim Berühren einer damit „infizierten“ Oberfläche. Mit anderen Worten: Um daraus Strom zu gewinnen, müssen Sie beispielsweise nur mit dem Finger über den Bildschirm eines Smartphones streichen – Business! Zwar betrug die maximale Ladung, die Wissenschaftler mit dem M13 erreichen konnten, ein Viertel einer AAA-Batterie. Dies war jedoch nur der erste Durchbruch in der Mikroenergie: Wissenschaftler glauben, dass ihr Potenzial noch viel größer ist.

Algen-Biokraftstoff

Eine weitere ebenso einfallsreiche Lösung war die Nutzung von Wasservegetation als Brennstoff. Die auf diese Weise gewonnene Energie dürfte mengenmäßig kaum mit der Energie aus der Öl- und Gasförderung vergleichbar sein, kann aber das Problem der Wasserverschmutzung lösen, das in einer Reihe von Ländern jedes Jahr akuter wird. Sagen wir in Japan. Die Regierung des Landes stellt jährlich erhebliche Summen für die Algenreinigung der Küste bereit – deren Aufbereitung wird die aufgewendeten Mittel zumindest amortisieren.

Wie werden Algen zu Treibstoff? Zunächst wird die gesammelte Vegetation in einen Tank gegeben. Dann beginnt darin mit Hilfe spezieller Bakterien der Fermentationsprozess. Bei der Fermentation wird Methan freigesetzt, das schließlich an einen Stromgenerator geleitet wird.

Wie Sie wissen, reicht die aus Algen gewonnene Energie nicht aus, um sie für Wohngebäude bereitzustellen, aber sie ist um ein Vielfaches größer als die Energie aller anderen biologischen Brennstoffquellen und lässt sich relativ leicht gewinnen. Das bedeutet, dass sich die Menschen immer häufiger an sie wenden.

Energiepotenzial des Weltozeans

Wellenenergie und Algen sind nur einige der Energiequellen, die im Meer zur Verfügung stehen. Der Rest ist weniger beliebt – aber nicht weniger vielversprechend:

Gezeitenenergie. Um es zu gewinnen, werden Gezeitenkraftwerke eingesetzt. Ähnliche Installationen gibt es bereits in einem Dutzend Ländern, darunter auch in Russland. Laut Wissenschaftlern diese Quelle der Wellenenergie etwas unterlegen.

Energie der Ströme. Können Sie sich vorstellen, wie viel Energie beispielsweise der Golfstrom erzeugen könnte? Und versuchen Sie es nicht: zu viel. Bisher entwickeln Großbritannien und die USA diesen Bereich. In den USA wurde übrigens bereits eine Turbine mit einer Leistung von 400 kW entwickelt.

Energie des Meerwassertemperaturgradienten. Oder einfach die Energie, die aus der Differenz zwischen der Wassertemperatur an der Oberfläche und in der Tiefe gewonnen wird. Eine relativ neue Quelle, die hauptsächlich von den USA untersucht wird. Das Potenzial ist noch nicht vollständig ausgeschöpft.

Osmotische Energie. Auch Diffusionsenergie von Flüssigkeiten genannt, wird dort gewonnen, wo salzige und frisches Wasser. Das derzeit einzige Kraftwerk dieser Art wurde in Norwegen gebaut.

Vergessen Sie nicht die sogenannte Wasserströmungsenergie. Nichts Neues: Die Ihnen bekannten Wasserkraftwerke sind an der Produktion beteiligt.

Energie des Erdinneren

Es lohnt sich nicht nur nach Öl und Gas zu bohren: Geothermie, also die Energie aus dem Erdinneren, könnte eines Tages mit ihnen konkurrieren. Um es zu gewinnen, werden Geothermiestationen genutzt. In der Nähe von Vulkanen installiert, versorgen solche Anlagen erfolgreich Island, Japan, Indonesien und eine Reihe anderer Länder mit Energie. Dabei nutzen sie nicht das Magma selbst: Energie liefert kochendes Wasser, wie es in Geysiren an die Oberfläche bricht.

Das Energiepotenzial des Untergrundes ist nicht so hoch wie das der oben genannten Quellen. Diese Energieform eignet sich jedoch für Länder ohne Zugang zum Meer.

Fusionsenergie

Unabhängig davon, wie sehr alternative Energien die auf dem Planeten ablaufenden natürlichen Prozesse nutzen, wird die stärkste Energiequelle vollständig vom Menschen geschaffen sein. Es wird ITER sein – International Experimental Fusionsreaktor, in der Lage, die Prozesse im Inneren von Sternen nachzubilden.

Ursprünglich war der Start von ITER für 2016 geplant, doch mittlerweile hat sich der Zeitpunkt auf die frühen 30er Jahre verschoben. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Anlage bis 2040 an das Energienetz anzuschließen. Das Ergebnis lohnt sich jedoch: Die bei der Kernfusion freigesetzte Energie dürfte für mehrere Länder ausreichen.