Источники электрической энергии
Энергоресурсы
Энергия доступна из множества источников, однако большинство энергии, используемой для удовлетворения растущей потребности мира в ней всё ещё получается из ископаемых топлив. Зависимость от ископаемого топлива выдвигает на первый план две проблемы:
- Будущие поставки ископаемого топлива будут сокращаться (и прекратятся совсем со временем)
- Сжигание ископаемого топлива увеличивает количество парниковых газов в атмосфере, которые вызывают глобальное потепление и сопутстсвующие проблемы климатического изменения.
Несмотря на бурные разработки в солнечной, ветровой и гидроэнергетике, около 80% мирового количества электроэнергии всё ещё получается из источников теплоты. Эта страница содержит некоторые основные источники энергии, которые используются для выработки электрической энергии вместе с их энергетическим содержанием.
Энергетическое содержание топлив и химических веществ
Энергетическое содержание различных веществ обычно, но не всегда, соотносится с их теплотой сгорания, которая может быть получена из вещества обычно при сжигании различными путями для выработки электрической энергии.
| Топливо | Энергетическое содержание, кВт·ч/кг |
|---|---|
| Бурый уголь | 2,8 |
| Коксующийся (чёрный) уголь | 8,3 |
| Нефть | 12,5 |
| Природный газ | 10,8 |
| Сжиженые продукты нефти в смеси с пропаном и бутаном | 13,8 |
| Пропан | 13,9 |
| Бутан | 13,7 |
| Керосин (парафиновые смолы) | 13,0 |
| Бензин | 13,0 |
| Дизель | 12,9 |
| Биодизель | 10,9 |
| Этанол | 8,3 |
| Метанол | 6,4 |
| Сухое дерево | 4,4 |
| Сырое дерево | 2,2 |
| Агротехнические отходы | 2,5–5,0 |
| Городские отходы | 2,0–2,5 |
| Уран 235 | 22 800 000 |
| Водород | 39,4 |
Природный газ состоит в основном из метана (70-90%), но включает значительное количество этана (5-15%), бутана, пропана, углекислого газа, гелия, водорода и сероводорода. Водород не является основным источником энергии - на производство 1 кг водорода путём электролиза требуется 50 кВт·ч электроэнергии.
Электрохимическое содержание энергии химических веществ
Использование содержания тепловой энергии различных химических веществ для выработки электрической энергии включает три преобразования энергии, каждый из которых обладает потерями.
Химические элементы обладают внутренним электрохимическим энергетическим потенциалом, связанным с энергией электронов на наружном (валентном) электронном слое (подробнее о химии ячеек) и эта энергия преобразуется напрямую в полезную электрическую энергию в батареях. Таблица электроотрицательности (электродного потенциала) на той же странице показывает относительную амплитуду энергий этих молекул. Следующая таблица показывает доступную энергию из этих источников в различных устройствах.
Электрохимическая энергия
| Тип активных элементов | Электрическая энергия, кВт·ч/кг |
|---|---|
| Первичная батарея (щелочная) | 0,175 |
| Вторичная батарея (свинцово-кислотная) | 0,04 |
| Вторичная батарея (никель-кадмиевая) | 0,05 |
| Вторичная батарея (никель-металл-гидридная) | 0,08 |
| Вторичная батарея (литий-ионная) | 0,14 |
Энергетическое содержание естественных природных потоков
Идеальный возобновляемый источник энергии является естественным потоком энергии. Энергия бесплатна, но её сбор может быть достаточно дорогим. Следующая таблица демонстрирует некоторые возможности.
| Источник | Энергетический поток, обеспечивающий 1 кВт доступной мощности | |
| Ветровая турбина | Скорость ветра 12,5 м/с | Ометаемая поверхность 0,85 м2 |
| Скорость ветра 4 м/с | Ометаемая поверхность 31,84 м2 | |
| Гидротурбина | Водяной поток 1 м3/c | Высота падения 0,1 м |
| Водяной поток 100 л/с | Высота падения 1,0 м | |
| Солнечный фотопреобразователь (электромагнитное излучение) | Поверхность перпендикулярна солнечным лучам в полдень с солнцем в зените | Площадь поверхности 1 м2 |
| Средняя часовая выработка 1 кВт в течение дня | Площадь поверхности 2,5–5 м2 | |
| Геотермальная энергия | (Океан) Разность температур 20° С | Водяной поток 10,8 л/мин * |
| (Горячая земля, камни) Температурный градиент 40° С/км, зона 1 км2, глубина 3,5 км | Водяной поток 0,2 л/мин * | |
| (Водоносные слои) Температурный градиент 30° C/км, зона 1 км2, глубина 3,0 км | Водяной поток 0,24 л/мин * | |
Использование энергетических ресурсов для генерирования электрической энергии
Приведённый рисунок показывает энергопотребление и выработку электроэнергии из различных источников и её динамику с 1971 по 2004 годы. Следует отметить, что энергопотребление более чем утроилось с 5 200 до 17 400 ТВт·ч за 23 года.
За тот же самый период количество энергии, вырабатываемой ядерными электростанциями претерпело больший рост по сравнению с возобновляемыми источниками, но основное количество электрической энергии всё ещё генерируется из угля.
Следующие диаграммы показывают относительное количество выработанной электрической энергии в 1971 и 2004 годах в зависимости от используемых видов топлива.
Рисунок показывает цену генерирования электрической энергии за кВт·ч при использовании различных видов топлива.