Как задействовать энергию из будущего. Альтернативная энергетика: за чем будущее? Портативные компьютеры на водороде

Согласно их исследованию, уже к середине века уголь и нефть начнут терять свое значение в качестве источников энергии, ископаемое топливо заменится энергией солнца. Но для этого придется менять всю парадигму отношений внутри отрасли - и технологии, и психологию игроков.

Большая энерготройка

По мнению экспертов «Глобальной энергии» (в их число входят 20 ученых из различных стран мира, в том числе, например, и лауреат Нобелевской премии мира Родни Аллам), к 2100 году доля нефти и угля в мировом топливно-энергетическом балансе составит 2,1% и 0,9% соответственно, термоядерная энергетика займет десятую часть рынка, а более четверти всей мировой электроэнергии будет производиться благодаря солнцу. Причина таких изменений - постепенное снижение добычи углеводородов и переориентирование на строительство более чистых энергомощностей.

Изменится и влияние разных государств на рынке энергетики: так, к 2035 году крупнейшим производителем топливно-энергетических ресурсов будет США (24%), второе место займет Россия (21%) и Китай (16%). Однако через 50 лет, по оценкам экспертов, на первое место выйдет Россия (19%), Китай станет вторым (18%), а США «опустится» до третьего места (17%). К 2100 году, однако, диспозиция изменится вновь: на первое место вырвется уже Китай (20%), а Россия и США будут занимать вторую и третью строчки рейтинга (16% и 14% соответственно).

Эксперты назвали и факторы, которые, по их мнению, мешают топливно-энергетическому комплексу развиваться в «зеленом» направлении: более трети ученых, участвовавших в исследовании, отметили, что пока альтернативные источники энергии слишком дороги, а конкуренция со стороны углеводородной и ядерной энергетики высока. В то же время активно формируется образ «традиционной» энергетики как нежелательной и неэкологичной, кроме того, современная экономика требует более эффективного использования имеющихся ресурсов, развития переработки отходов и смежных технологий. В такой ситуации, по мнению экспертов, дополнительные стимулы к развитию получат такие направления, как биоэнергетика и разработка биотоплива, а также термоядерных реакторов.

Результаты исследования, представленные «Глобальной энергией» на Петербургском международном экономическом форуме, вызвали оживленную дискуссию о будущем энергетики в целом и энергетики России в частности. Тренды трендами, но стартовые позиции и структура экономики у разных стран (и разных регионов одной страны) все же отличаются, а значит, путь к тройке энергетических лидеров мира Россия, Китай и США будут проходить по-разному.

Угля станет меньше, но больше

Большинство экспертов считает, что одна из предпосылок к снижению доли углеводородов в мировом балансе, - это Парижские климатические соглашения, одной из главных тем которых было замораживание угольных проектов. Многие банки и финансовые институты заявили об отказе от инвестиций в угледобывающую сферу и энергетику. Планы масштабного строительства угольных электростанций остались только у четырех стран - Вьетнама, Индии, Индонезии и Китая, хотя есть и более мелкие игроки, не желающие отказываться от развития этого сектора экономики, в частности, Пакистан и Турция. Вместе с тем есть идеи и проекты по возрождению угольной составляющей с учетом новых, более щадящих технологий, а также идеи восстановления и развития добычи твердого топлива в арктических территориях.

Один из таких проектов, например, реализуется в арктической зоне Красноярского края: на полуострове Таймыр находится одно из самых больших в мире месторождений антрацитов, в 2015 году началась его разработка. Только на одном участке «Река Малая Лемберова» запасы высококачественного антрацита составляют порядка 600 миллионов тонн. К 2020 году УК «Восток-Уголь» планирует добывать здесь до 30 миллионов тонн в год и отправлять антрацит в страны Европы по Севморпути.

А вот на нефтяной сектор напрямую Парижские соглашения влияния, скорее всего, не окажут, считает президент Ассоциации по развитию международных исследований и проектов в области энергетики «Глобальная энергия» Игорь Лобовский.

Существенные изменения последуют с наступлением эры повсеместного развития автотранспорта на электро­энергии и иных источниках энергии, не имеющих отношение к углеводородам, эксперты прогнозируют такого рода процессы не ранее 2030 года, поэтому максимальное снижение доли углеводородов прогнозируется только к 2070 году, - рассуждает он. - Подобный сценарий экономически обоснован в случае снижения стоимости производства электро­энергии от возобновляемых источников - и это действительно должно происходить в ближайшие десятилетия. Например, лауреат премии «Глобальная энергия» 2017 года Михаэль Гретцель является изобретателем так называемых «ячеек Гретцеля» - солнечных батарей нового поколения, производство которых обходится дешевле в несколько раз по сравнению с производством кремниевых батарей. Подобные изобретения позволят возобновляемой энергетике развиваться повсеместно и, как следствие, значительно снизить ее стоимость.

Так что уточненный сценарий развития углеводородных отраслей следует читать так: доля углеводородов в энергетике будет снижаться, но потребление расти.

Мы забываем, что нефть на нынешний день все больше используется в нефтехимии, в производстве товаров народного потребления, - говорит министр энергетики России Александр Новак, - У нас 9 из 10 товаров на нынешний день содержат продукты нефтепереработки. И если сегодня 11 миллионов баррелей всего идет на нефтехимию, то по самым скромным прогнозам через лет пятнадцать на нефтехимию будет уже 17 миллионов баррелей идти, а может быть дальше еще больше, в более ускоренном режиме.

Подумайте об авиации, о морских перевозках, о нефтехимии, - вторит главный исполнительный директор Royal Dutch Shell Plc Бен ван Берден (Ben van Beurden). - Масса процессов требует высокой температуры и крайне высокой температуры для нагрева. И, конечно же, углеводороды займут свое место.

Когда подует ветер?

Потребителю нужна дешевая энергия - вот основной фактор, сдерживающий развитие альтернативной энергетики. Чтобы сделать возобновляемые источники энергии (ВИЭ) привлекательными, нужна либо высокая цена на нефть, либо финансовая поддержка государства или институтов развития.

Когда цена на нефть достигает 100 долларов за баррель, это создает почву для развития новых технологий, включая ВИЭ, - говорит президент компании Total Патрик Пуянне.

Пока стоимость строительства ВИЭ в России достаточно высока, а коэффициент использования установленной мощности не так велик, как хотелось бы (и не только в России: по данным энергетического агентства США, средний КИУМ солнечных станций составляет порядка 26%). А значит, высока и стоимость киловатт-часа для потребителя. Опять же, строительство - это последний этап, необходимо развивать собственное производство солнечных панелей и других элементов. Но следует признать, что солнечная энергетика в России - это уже не стартап, а вполне сформировавшаяся отрасль. И ее развитие зависит от приоритетов государства.

Есть явление, сетевой паритет - точка, когда себестоимость кВт/час электроэнергии, выработанной в альтернативной энергетике, оказывается равной себестоимости кВт/час электро­энергии, выработанной в традиционной энергетике. Спор идет - когда это случится? - рассуждает председатель правления ООО «УК «РОСНАНО» Анатолий Чубайс. - В ряде стран оно уже случилось, в России произойдет чуть позже, но оно неизбежно хотя бы потому, что потенциальный апгрейд ветра и солнца существенно больше, чем потенциальный апгрейд даже в парогазовых технологиях в тепловой генерации или гидрогенерации. Мы точно придем к моменту, когда альтернативная энергетика станет дешевле.

Эксперты прогнозируют, что это случится уже к 2050 году. По мнению Чубайса, сейчас в России создана абсолютно работоспособная система поддержки альтернативной энергетики, и препятствий для ее развития нет. Следующая задача, которую придется решить, - это найти способы промышленного хранения электроэнергии. И это задача не на отдаленную перспективу, а на ближайшие десять лет.

Однако не все эксперты разделяют оптимизм о перспективах ВИЭ - по крайней мере, они довольно сдержанно оценивают объем возобновляемых технологий, необходимых мировой энергетике.

Я думаю, что человечество будет поощрять использование возобновляемых источников энергии в неких формах государственных субсидий. В последнее время данный сегмент продемонстрировал значительное снижение стоимости и возможность более быстрого внедрения, - считает председатель комитета по присуждению премии «Глобальная энергия», нобелевский лауреат Родни Аллам. - Возобновляемые источники энергии будут представлены системами с низкой интенсивностью, требующими огромных площадей; для них будут строиться «солнечные фермы» в пустынях и морские ветровые электростанции. Данный сегмент энергетики должен составлять определенный процент от общего объема рынка. Я считаю, что 20 процентов - это разумный предел.

Будущее - за атомной энергетикой

По мнению авторов доклада, снижение доли углеводородов - это единственный возможный сценарий для успешного развития цивилизации, вопрос только в том, когда наступит этот переломный момент. Эксперты «Глобальной энергии» считают, что это может произойти уже после 2050 года. Сейчас доля «зеленой» энергетики в мире составляет не более 30%. При этом к «зеленой» энергетике эксперты относят атомные электростанции, которые вырабатывают порядка 11% мировой электроэнергии. Ведь АЭС характеризуются низкими выбросами углерода в атмосферу.

Мы на пороге четвертого промышленного уклада, на пороге очередной революции. Это время горизонтальных связей, цифровой информатики, искусственного интеллекта, время продажи и покупки жизненных циклов, а не конкретного объекта. Атомная энергетика как никто другой соответствует роли модератора этого процесса, - считает генеральный директор «Росатома» Алексей Лихачев.

Одна из основных проблем атомной энергетики - не технологическая, а психологическая: Чернобыль, Фукусима, испытания ядерного оружия - в общем, есть повод для беспокойства и недоверия.

Важное условие для развития ядерной энергетики - это социальное принятие. Для того, чтобы ядерная энергетика возникла в какой-то стране, общество должно ее принимать, - говорит генеральный директор Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) Юкия Амано.

Какие бы сценарии развития энергетики ни строились, одно в них неизменно: потребление электроэнергии в мире будет расти. Население Земли увеличивается, запросы человечества растут: за последние сто лет мы потребили энергии больше, чем за всю предыдущую историю от сотворения мира. При этом более миллиарда человек на планете до сих пор не имеют доступа к электричеству!

По прогнозам ученых, к 2050 году на Земле будет жить еще на 2,5 миллиарда больше людей, децентрализация энергетики и строительство малых мощностей даст доступ к этому ресурсу значительно большему количеству человек и повысить их качество жизни. А значит, потребность в электроэнергии снова будет расти. И здесь на помощь приходит атомная энергетика: высокопроизводительная, с низким уровнем выброса загрязняющих атмосферу веществ и не­ограниченными запасами топлива. При этом речь идет не только об ископаемом уране, но и об отработавшем ядерном топливе, находящемся на хранении: топливные сборки выработали свой ресурс не более, чем на четыре процента, и это огромный ресурс для вторичного использования. Не говоря уже о том, что переработка топлива из ОЯТ позволяет решить задачу необратимой утилизации оружейного плутония и замкнуть производственны цикл, срабатывая весь ресурс ядерного топлива.

Особый путь Сибири

По соглашению между США и Россией каждая из стран должна утилизировать по 34 тонны оружейного плутония, и начало этой работы было назначено на 2018 год. Но пока технологией выработки так называемого МОКС-топлива обладает только Россия: первый в мире завод по его производству находится в Железногорске (бывший Красноярск-26), на мощностях Горно-химического комбината, входящего в структуру «Росатома».

Важно стандартизировать требования к производственной безопасности в различных юрисдикциях и странах для создания безопасной атомной энергетики, - считает президент энергетической корпорации Fortum Corporation Пекка Лундмарк. - Я считаю, что атомная энергетика будет играть ключевую роль, но не как единственная технология, а в сочетании с солнечной энергетикой, гидроэнергетикой и экологичным биотоп­ливом. Однако для того, чтобы атомная энергетика оставалась конкурентоспособной и продолжала играть важную роль в будущем, ей тоже требуется модернизация.

При этом «законодателем мод» в атомной энергетике вполне может стать Сибирь. Эксперты склоняются к мысли, что именно эта отрасль энергетики будет в регионе ведущей.

Сибирский регион обладает всеми возможностями для развития атомной энергетики, обеспечивающими полный ядерный цикл от добычи и переработки уранового сырья и изготовления топливных сборок до утилизации облученного ядерного топлива, что может обеспечить и оптимизировать функционирование современных АЭС, - говорит Игорь Лобовский. - На долгую перспективу решить энергетические проблемы Сибирского региона можно за счет атомных энергоисточников, в частности, за счет строительства современных АЭС с реакторами типа ВВЭР-1300. Да, в соответствии с соглашением между Россией и США о прекращении производства оружейного плутония все ядерные реакторы Сибирской АЭС были остановлены в 2008 году, но в Северске сохранилась развитая инфраструктура и кадровый потенциал, а это существенно ускорит и удешевит строительство новой АЭС, которое на данный момент отложено до 2020 года.

Впрочем, КПД, КИУМ, себестоимость, доступность, технологичность - далеко не все требования, которые предъявляются энергетике будущего. И это тоже - вызов.

Хотелось бы, чтобы энергетика будущего была незаметной - в том смысле, что мы не должны видеть ее негативных последствий, она должна быть бе­зопасной, - считает президент РСПП, председатель Наблюдательного совета ассоциации «Глобальная энергия» Александр Шохин. - Экологическое негативное воздействие, в том числе в той же атомной и даже гидроэнергетике и тепловой энергетике должно быть минимальным, а безопасность - максимальной. Я считаю, что главный критерий - это не то, что, какая доля будет, например, у возобновляемых видов энергетики, а именно то, что все виды энергетики должны быть безопасными и эффективными.

Трудно поспорить.

Ежегодное Обозрение мировой энергетики содержит обновленный анализ, показывающий, какие данные, технологические тенденции и политические усилия будут влиять на энергетический сектор до 2040 года.

Международное энергетическое агентство представило ежегодное Обозрение мировой энергетики (World Energy Outlook - WEO-2018). Особое внимание в этом году сосредоточено на развитии электроэнергетической отрасли.

Обозрение мировой энергетики

• Сценарии новой политики

По мнению аналитиков МЭА, главные цели, которые стоят перед человечеством, заключаются в последовательной работе, направленной на исправление нежизнеспособной экологической ситуации на планете: предотвращении последствий климатических изменений и улучшении качества воздуха. В новом обозрении отмечается роль геополитических факторов, которые оказывают комплексное влияние на энергетические рынки и энергобезопасность поставок. Агентство также отмечает необходимость привлечения инвестиций в разработку новых энергетических технологий.

«Мир постепенно строит другой вид энергетической системы, но трещины появились в несущих столпах», - утверждает МЭА в новом обзоре. Стоимость производства солнечной и ветроэнергетики продолжает падать, тогда как цены на нефть взлетали в этом году выше 80 долларов за баррель, а ряд государств стоят перед непростыми решениями, столкнувшись с необходимостью реформирования субсидирования потребления нефти и газа.

Как продемонстрировала ушедшая в фатальный штопор экономика Венесуэлы, производство и надежные поставки углеводородного сырья находятся в зоне высоких рисков. Тренд, направленный на появление взаимосвязанного глобального газового рынка в результате роста торговли сжиженным природным газом (СПГ) усиливает конкуренцию между поставщиками, меняет в странах-потребителях представления о том, как нужно управлять возможным дефицитом поставок.

В мире, в котором каждый восьмой человек не имеет доступа к электроэнергии, появились новые угрозы для уже работающих энергетических систем: генерирующим компаниям необходимо обеспечить их гибкость и приспособить к скачкам потребления, а также защитить от киберугроз. Доступность, надежность и стабильность работы энергетических систем тесно связаны и требуют комплексного подхода к энергетической политике.

Ветровая и солнечная энергетика являются базовым источником доступного электричества с низким уровнем выбросов, но развитие ВИЭ предъявляет дополнительные требования к надежности работы энергосистем. По данным агентства, в 2017 г. выбросы углекислого газа (CO2), связанные с энергетикой, выросли на 1,6%. Эта тенденция продолжается и в 2018 г. Загрязнение воздуха, связанное с энергетикой, по-прежнему приводит к миллионам преждевременных смертей каждый год.

Сценарии новой политики

В новом обозрении мировой энергетики МЭА не ставит целью предсказать будущее, а пытается понять возможные пути развития ситуации и выявить взаимосвязи в сложных энергетических системах. Сценарий современной политики (Current Policies Scenario) исходит из того, что все продолжит развиваться также, как и сейчас, и приходит к выводам об усилении напряженности во всех аспектах энергетической безопасности. Сценарий новой политики (New Policies Scenario) проясняет ситуацию разрыва между текущей политикой и достижением целей стабильного развития (Sustainable Development Scenario), а также выявляет необходимость перехода к чистой энергетике.

Согласно выводам агентства, определяющим фактором развития мировой энергетики станут действия, предпринятые правительствами стран - крупнейших потребителей энергоресурсов. Сделанный государствами выбор определит развитие энергетической системы будущего. «Наш анализ показывает, что более 70% глобальных инвестиций в энергетику находится в руках государства. Правительственные решения определяют судьбу мировой энергетики.

Разработка правильной политики и надлежащих стимулов будет иметь решающее значение для достижения наших общих целей по обеспечению поставок энергии, сокращения выбросов углекислого газа, улучшения качества воздуха в городских центрах, откроют доступ к энергии в Африке и в других проблемных регионах», - отметил глава Международного энергетического агентства Фатих Бироль, представляя обозрение.

Так, сценарий новой политики предполагает рост доходов до 2040 г. примерно 1,7 млрд человек, большинство из которых пополнит городское население развивающихся стран, что приведет к увеличению потребления энергии более чем на четверть от текущего уровня. Если в 2000-х годах на Европу и Северную Америку приходилось более чем 40% в глобальном спросе на энергетические ресурсы, тогда как на развивающиеся страны Азии - примерно 20%, то к 2040 г. этот расклад полностью поменяется.

Прирост потребления на энергоресурсы обеспечат государства с развивающейся экономикой во главе с Индией. Развитие энергосистем в азиатских странах будет зависеть от поставок всех существующих видов энергетических ресурсов, а также технологий. На Азию придется более половины прироста спроса на природный газ, более чем 80% - на нефть, 100% - в потреблении угля и атомной энергии, а также 60% увеличения потребления ветровой и солнечной энергии.

Сланцевая революция продолжит оказывать давление на уже сложившуюся ситуацию с поставками нефти и газа. Соединенные Штаты, став крупнейшим в мире их производителем, будут выдавливать с рынков традиционных экспортеров углеводородного сырья, которые до сих пор для поддержания развития национальной экономики в значительной степени полагаются на доходы от продаж нефти и газа за рубежом. Согласно сценарию новой политики МЭА, на США придется более половины глобального прироста добычи нефти и газа до 2025 г. (около 75% для нефти и 40% для газа).

К середине 2020-х годов примерно каждый пятый баррель нефти и каждый четвертый кубический метр газа в мире будет извлекаться в Штатах. Согласно прогнозу агентства, производство нефти в США вырастет с конца 2018 г. до 2025 г. еще на 10 млн баррелей н. э. в сутки, превысив уровень в 20 тыс. баррелей н. э. в сутки.

Общая доля углеводородного сырья в первичном энергопотреблении оставалась неизменной в последние 25 лет. Однако до 2040 г. она будет постепенно сокращаться, но сохранит свои доминирующие позиции в топливно-энергетическом балансе в этот период. Согласно прогнозу агентства, потребление нефти на автомобильном транспорте достигнет пика в середине 2020-х годов. Среди трендов, которые выделяет МЭА, можно отметить повышение эффективности использования автомобильного топлива на машинах с двигателем внутреннего сгорания, что поможет экономии порядка 9 млн баррелей н. э. в сутки в ближайшие 22 года.

Кроме того, к 2040 г. на дороги выйдут 300 млн электромобилей, что позволит снизить потребление «черного золота» еще 3 млн баррелей н. э. в сутки. Однако спрос на нефть со стороны нефтехимии, а также грузового, морского и авиатранспорта продолжит стимулировать рост потребления нефти. В два раза вырастет эффект от повторной переработки пластика, но это поможет снизить глобальный спрос на нефть лишь на 1,5 млн баррелей н. э. в сутки. В результате МЭА прогнозирует дальнейший рост спроса на нефть более чем на 5 млн баррелей н. э. в сутки, до 106 млн баррелей н. э. в сутки к 2040 г.

Потребление природного газа обгонит по объемам уголь к 2030 г., что выведет газ на второе место после нефти в мировом топливно-энергетическом балансе. Россия останется крупнейшим в мире газовым экспортером, открыв новые маршруты поставок российского газа на азиатские рынки. Тогда как Европа сохранит позиции крупнейшего импортера природного газа.

По данным Международного энергетического агентства, спрос на газ в европейских странах, достигнув пика в 2010 г. в 545 млрд куб. м, уже прошел четырехлетний период спада потребления. Однако с 2014 г. низкие цены на газ и увеличение спроса со стороны электроэнергетики спровоцировали рост его потребления в Европе на 4-7% в год.

В перспективе приоритет, отданный в ЕС развитию ВИЭ, может спровоцировать замедление этого роста и постепенное снижение спроса на газ к 2040 г. Тем не менее, из-за падения добычи природного газа внутри Европы, зависимость от импортных поставок газа в ближайшее время будет нарастать. Согласно выводам МЭА, даже в случае заметного сокращения потребления газа в ЕС, к концу прогнозируемого периода Россия будет обеспечивать примерно 37% от импортируемого газа в Евросоюз, или 140 млрд куб. м из 385 млрд куб. м в 2040 г.

Таким образом в ближайшие 22 года Российская Федерация, пройдя период рекордного роста поставок в европейском направлении, может столкнуться с обвалом экспорта газа в Европу примерно на 60 млрд куб. м по сравнению с современным уровнем. Рост доли ветровой и солнечной энергии в энергосистемах европейских стран сократит спрос на газ, а модернизация уже построенных зданий поможет снизить его потребление в отопительных системах.

Электроэнергетика как звезда современного энергетического шоу

По данным МЭА, электроэнергия, вырабатываемая из возобновляемых источников энергии, обеспечивает четверть потребностей человечества в ней. Солнечные панели подешевели настолько, что агентство предсказывает возможное замедление в развитии этого сегмента из-за снижения инвестиций. Спустя столетие с момента своего появления, электроэнергетическая отрасль проходит период значительных изменений. Доля электричества в конечном потреблении энергоресурсов приблизилась к 20%, и, согласно прогнозам агентства, она продолжит свой рост до 40% к 2040 г. Спрос на электроэнергию в прогнозируемый период вырастет на 60%, на развивающиеся страны придется 90% из этого прироста.

В WEO-2018 агентство представило новую методику оценки конкурентоспособности различных вариантов генерации на основе эволюционирующих технологических затрат, а также отдачи энергосистем в разное время. Масштабная электрификация становится выбором стран с ориентиром на легкую промышленность, цифровые технологии и развитие сегмента услуг. «В государствах с развитой экономикой увеличение спроса на электроэнергию демонстрирует низкие показатели.

Однако инвестиции в электроэнергетику по-прежнему огромны на фоне модернизации инфраструктуры и изменений, происходящих внутри генерирующих комплексов. Электричество – звезда шоу, но насколько ярко она будет сиять в дальнейшем?», – отмечают эксперты агентства. В развивающих странах, в которых МЭА прогнозирует удвоение спроса на электроэнергию, главными проблемами являются доступность электроэнергии, а также сокращение вредных выбросов при ее производстве.

Когда государство определяет тренды в развитии электроэнергетики возможны перекосы, которые в дальнейшем ложатся на плечи потребителей непосильной ношей. Международное энергетическое агентство подсчитало, что в регионах с сильным регулированием отрасли, Китае, Индии, Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока, уже созданы порядка 350 ГВт избыточных мощностей, что привело к дополнительным затратам для потребителей. Агентство в своем новом исследовании мировой энергетики отмечает ключевую роль государства в трансформации энергетической системы, но цена ошибок, сделанных правительствами на этом пути, может оказаться слишком велика для граждан этих стран. опубликовано

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .

Представляем вам список из десяти самых многообещающих источников энергии будущего.

Каждый час земля получает столько солнечной энергии, больше, чем земляне ее используют за целый год. Один из способов использование этой энергии, создание гигантских солнечных ферм, которые будут собирать часть высокоинтенсивного и бесперебойного солнечного излучения.

Огромные зеркала будут отражать солнечные лучи на коллектора меньшего размера. Затем эта энергия будет передаваться на землю с помощью микроволновых или лазерных пучков.

Одна из причин, почему этот проект находится на стадии идеи – это его огромная стоимость. Тем не менее, он может стать реальностью не в столь отдаленное время из-за развития гелеотехнологий и уменьшения стоимости вывоза грузов в космос.

9. Энергия человека

У нас уже есть устройство заряжаемое человеком, но ученые работают над тем, как получить энергию от обычного движения. Речь идет о микроэлектронике, но потенциал велик, при целевой аудитории в миллиард людей. Сегодня разрабатывается электроника, потребляющая все меньше энергии и однажды возможно, ваш телефон будет заряжаться, болтаясь в сумке, в кармане или в ваших руках и при вождением пальцем по экрану.

В национальной лаборатории Лоуренса в Беркли ученые представили устройство, использующие вирусы для трансформации давления в электричество. Это звучит потрясающе, но пока объяснить, как это работает невозможно. Так же есть небольшие переносные системы пассивно производящие энергию во время вашего движения. Энергия человека не спасет от глобального потепления, но может спасти любая мелочь.

Несмотря на серьезные инвестиции в развитие альтернативных источников энергии, сейчас они удовлетворяют менее 1% глобальных нужд человечества в электричестве. Но этот показатель с каждым годом стабильно растет.

В 1872 году русский изобретатель Александр Лодыгин создал электрическую лампочку накаливания, но в те времена он не мог даже предположить, что со второй половины XX столетия электростанции привычных типов не смогут удовлетворять растущие потребности человечества без нанесения вреда окружающей среде. И дело даже не в освещении жилых помещений, ведь во многих странах галогеновые лампы уже стали стандартом, а на подходе еще более энергоэффективная технология - светодиоды. Главная причина быстро растущего уровня потребления электричества на планете заключается в возникновении абсолютно новых типов устройств, расходующих гигаватты электроэнергии. В первую очередь речь идет о дата-центрах и электромобилях.

Дата-центры - вычислительные технологии сегодняшнего дня - не только потребляют столько же электричества, сколько целый жилой микрорайон города, но и выделяют огромные объемы тепла. Кроме того, сложно представить, как высоко в самом ближайшем будущем поднимут уровень энергопотребления электрокары - очень перспективные, но пока непригодные для повсеместного применения разработки. Данные проблемы заставляют лучшие умы современности искать новые, экономически выгодные способы выработки электроэнергии, минимизирующие негативное влияние на биосферу. Многие технологии уже активно эксплуатируются на всех континентах. На основе других пока созданы только экспериментальные установки - их творцам еще предстоит доказать рациональность своих идей. Но, возможно, именно за самыми фантастическими методами - будущее нашей планеты.

Солнечная энергия

Гелиоэнергетика подразумевает непосредственное использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Как и ветер, солнце является ее возобновляемым источником.

Солнечные батареи на основе фотоэлементов, преобразующих энергию фотонов в электричество, не вырабатывают никаких вредных отходов. Главным их преимуществом является возможность комбинирования с тепловыми машинами, что позволяет обеспечить человека не только электричеством, но и отоплением и горячей водой. Компании First Solar, Suntech и Sharp составляют тройку лидеров рынка фото-элементов. Солнечные электростанции (СЭС) широко распространены в Германии, Испании и Японии. К сожалению, в 2010 году на долю гелиоэнергетики приходилось лишь 0,1% всего выработанного в мире электричества, потому что у данного метода есть свои недостатки. Солнечные батареи дорогостоящие (производство фотоэлементов с высоким КПД требует немалых затрат), к тому же их эффективность напрямую зависит от погоды и времени суток. Кроме того, фотоэлементы на основе кадмия сложны в утилизации. Тем не менее миниатюрные солнечные батареи в последнее время широко используются в электронике.

Получение электроэнергии из волн

Мощью волн восхищались еще древнегреческие поэты и философы. Современные специалисты более практичны: они применяют энергию волн не только для выработки электричества, но и опреснения воды в регионах с чрезмерно сухим климатом. В теории вода обладает намного большей кинетической энергией, чем воздух, что позволяет получать в разы больше электричества. Оборудование для строительства волновых электростанций проектируют Marine Current Turbine, Wavegen, Ocean Power Delivery и другие предприятия. Подобные решения идеальны для государств с большой протяженностью морского побережья и сильными порывами ветра. К примеру, волновая электростанция Oyster в Великобритании использует вырабатываемую электроэнергию для получения водорода и алюминия.

Водород и сероводород

Водород является полностью безотходным источником электроэнергии, ведь в результате его горения помимо большого количества тепла выделяется только вода (Н2О) - естественное и совершенно безвредное для окружающей среды вещество. Ведущие автомобилестроительные концерны - Daimler, Honda, General Motors, Hyundai и Fiat - уже выпускают автомобили, двигатель внутреннего сгорания которых способен работать на водороде. Япония готовит к введению в эксплуатацию первый в мире поезд на водороде, а в Германии уже поставлены на конвейер подводные лодки класса U-212 с водородными топливными элементами Siemens. В США идет строительство электростанций на водороде FutureGen мощностью 275 МВт, Китай готовит свой ответ - электростанцию GreenGen со вдвое более высокой мощностью.

Оба проекта применяют технологию газификации угля, которая на данный момент является самой дешевой - $2 (16 гривен) за килограмм водорода. Сырьем для его получения также служит сероводород (H2S) - в глубинных водах морей и океанов его концентрация очень высока. Переработка сероводорода в водород не только позволит получить большие объемы топлива для транспортных средств и электростанций, но и предотвратит повышение концентрации этого ядовитого вещества в морских водах.

Энергия из космоса

Все ранее описывавшиеся альтернативные источники электроэнергии давно прошли этап экспериментальных установок и реально функционируют, принося ощутимую пользу.

Чего нельзя сказать об этом варианте: он все еще балансирует на тонкой грани между произведениями классиков научной фантастики и новейшими технологиями.

Речь идет о космической энергетике. Данная отрасль тесно связана с гелиоэнергетикой, так как использует аналогичные солнечные батареи на основе фотоэлементов. Разница только в одном: исполинского размера солнечные батареи должны расположиться на земной орбите, откуда вырабатываемый ток будет передаваться в виде радиоволн. Трудность проведения практических экспериментов препятствует быстрому развитию данного типа энергетики, ведь позволить себе запустить на орбиту тестовые установки могут только страны, имеющие собственные космодромы. К тому же пока неясно, как именно инженеры планируют минимизировать вред от гигаватт энергии, которая в виде радиоволн хлынет в земную атмосферу, и без того сильно перегруженную спутниковым телевидением и сотовой связью. В целом, космическая энергетика пока является скорее экспериментом, и в ближайшие десятилетия ей предстоит продемонстрировать свой потенциал. Но уже сейчас ясно, что вскоре человечеству станет не хватать электроэнергии, вырабатываемой только на Земле, - придется искать ее источники за пределами планеты.

Получение электроэнергии из биотоплива

Схема автомобиля, работающего на биогазе и обычном топливе Ошибочно называть биотопливом только продукты переработки стеблей и семян растений. На самом деле человек использует простейшее твердое биотопливо еще со времен зарождения цивилизации. Речь идет, конечно же, о дереве. Сейчас древесина расходуется все реже: это слишком ценный материал. На смену ей пришли брикеты из прессованных стружек. Но будущее все же не за твердым, а за жидким биотопливом.

Биоэтанол получают путем переработки рапса, кукурузы и сахарного тростника, биометанол - в результате брожения фитопланктона, биодизель - из животных и растительных жиров. Чаще всего биотопливо применяется как заменитель бензина, но во многих странах тепловые электростанции (ТЭС) перешли на него с мазута и угля. Биоэтанол, производство которого сконцентрировано в Бразилии и США, покрывает 1,5% глобальной потребности в жидком топливе. Эта цифра может показаться незначительной, но, по оценкам ведущих аналитиков, остановка выработки всех видов биотоплива приведет к 15-процентному росту стоимости барреля нефти. В 2010 году Европейский союз ввел унифицированную стандартизацию биотоплива - EN-PLUS.

Но и в случае с этим источником энергии не обошлось без негатива. Мировую общественность волнует проблема растущего потребления биотоплива, ведь поля с плодородной землей все чаще засеивают не продовольственными культурами (пшеницей, рожью или рисом), а рапсом.

Действующие экспериментальные технологии

Существует множество проектов по добыче экологически чистой электроэнергии, которые обладают большим потенциалом, но все еще находятся на стадии разработки. Одним из самых перспективных на сегодняшний день является получение биотоплива третьего поколения в результате переработки особого вида водорослей с высоким содержанием масла. По своим энергетическим характеристикам они значительно превосходят другое сырье. Такие водоросли не распространены широко в естественной среде, но очень быстро растут в искусственных водоемах. Однако основная технологическая трудность заключается в том, что водоросли очень чувствительны к изменениям температуры - она должна поддерживаться на определенном уровне с отсутствием даже минимальных колебаний.

Антиматерия

Давней мечтой ученых является получение антивещества. Любое вещество состоит из частиц, а антивещество - из античастиц. Эти две субстанции полностью противоположны: в обычном веществе протоны в атоме имеют положительный заряд, а электроны - отрицательный, в антивеществе все наоборот - антипротоны с отрицательным зарядом и позитроны с положительным. Частицы антивещества и обычного вещества при контакте аннигилируют - исчезают, и при этом выделяется огромное количество энергии. Тонна антивещества могла бы покрыть годовую энергетическую потребность всей планеты.

Резервация и хранение электроэнергии

Избыток вырабатываемой энергии в одно время и недостаток ее в другое свойственны всем без исключения непостоянным источникам - ветру, солнцу, волнам и т. п.

Теоретически у этой проблемы есть довольно простое решение - использовать аккумуляторы. Но на практике все намного сложнее, чем кажется на первый взгляд.

Необходимость применения батарей в разы увеличивает себестоимость мегаватта вырабатываемой электроэнергии.

На сегодняшний день широко распространены свинцово-кислотные, никель-металл-гидридные, литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. Свинцово-кислотные, самые распространенные в мире, отличаются высокой ЭДС (электродвижущей силой) и широким диапазоном рабочих температур (от –40 до +40 °С). Именно они чаще всего применяются в качестве аварийных источников электроэнергии. Зато в пользу литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов говорят их миниатюрные размеры и простота в обслуживании. Но стоит отметить, что они подвержены эффекту старения, и продолжительность их жизненного цикла оставляет желать лучшего.

Вывод

Несмотря на серьезные инвестиции в развитие альтернативных источников энергии, сейчас они удовлетворяют менее 1% глобальных нужд человечества в электричестве. Но этот показатель с каждым годом стабильно растет из-за быстро снижающейся себестоимости мегаватта электроэнергии, вырабатываемой подобными методами. На данный момент больше всего средств в развитие экологически чистой энергетики вкладывают Китай, США, Великобритания и Индия. К 2020 году глобальные инвестиции в возобновляемые источники энергии должны вырасти до 1,7 триллиона долларов.

Мощная конкуренция на энергетическом рынке для традиционных генераций обусловлена наличием огромного числа альтернативных источников энергии. Во многих странах мира солнечные электростанции, ветропарки и биоэнергетические установки обеспечивают значительные объемы производства электроэнергии. Однако существуют и различные источники энергии будущего, которые только проходят свои первые испытания в научных лабораториях по всему миру.

1 Водородное топливо.
Преимущества: один из самых дешевых и эффективных альтернативных источников энергии.
Не смотря на то, что водород носит звание самого распространенного элемента в космосе, на планете Земля водород можно встретить только в виде различных соединений. Чтобы получить его в чистом виде для дальнейшего использования в энергетике, необходимо затратить определенную энергию. Чаще всего готовый водород помещают в специальные топливные элементы или водородные ячейки, которые становятся основой при производстве водородных автомобилей или водородных заправок.

2 Отходы атомных электростанций.
Преимущества: возможность повторной переработки ядерного топлива.
Первые реакторы во время своей эксплуатации могли перерабатывать с пользой только 5% атомов, а оставшаяся часть ядерного топлива списывалась в ядерные отходы. В современных реакторах используется до 95% атомов, загружаемых в ядерный реактор, а также имеется возможность использовать в качестве ядерного топлива отработавшие топливные элементы предыдущего поколения.

3 Летающие ветрогенераторы.
Преимущества: стабильная скорость ветра на высоте.
Эффективность ветроэнергетики определяется силой и постоянством ветровых потоков. Чтобы получить максимальную отдачу от ветрогенератора, его необходимо поднять на высоту в 300…600 метров, где ветер более стабилен. Уже существуют первые модели летающих ветрогенераторов, промышленную эксплуатацию которых планируется начать на Аляске.

4 Город будущего.
Преимущества: экономия энергии в крупных жилых районах.
Первый энергоэффективный квартал «города будущего» появился в Японии. Освещение всего квартала осуществляется за счет солнечных панелей. Каждый гараж имеет зарядку для электромобиля, получающую энергию от солнечных батарей. Датчики движения, системы сбора дождевой воды и умные системы распределения энергии позволяют исключить ненужные растраты на электроэнергию.

5 Энергия лавы
Преимущества: идеальный источник энергии для стран с большим количеством вулканов.
На Филиппинах уже сейчас четверть расходуемой в стране энергии получается благодаря лаве. Единственный минус подобных систем заключается в температуре «энергоносителя», который нельзя просто перекачать по трубопроводу.